mémoire master academique - bu.univ-ouargla.dz · maximum power point tracker.. ... principe de...

UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA

Faculté des Sciences Appliquées

Département de Génie Electrique

Mémoire MASTER ACADEMIQUE

Domaine : Sciences et technologies

Filière : Electrotechnique

Spécialité : Electrotechnique Industrielle

Présenté par :

Mr.MEDJAOUI Med Ayoub Ms.LAKHDARI Yousra

Thème :

Soutenu publiquement

Le :04/06/2017

Devant le jury :

Année universitaire 2016/2017

Mr BOUHAFS Ali MA (A) Président UKM

Ouargla

Mr DJAFOUR Ahmed MC (A) Encadreur/rapporteur UKM

Ouargla

Mr REZOUG Med Redha MA (A) Examinateur UKM

Ouargla

Remercîment Nous remerciements vont tout premièrement, à ALLAH

le tout puissant de nous avoir donné le courage, la

patience et la force pour réaliser ce modeste travail. Nous

tiens, avant tout, à exprimer notre profonde gratitude à

notre

Encadreur Dr. Djafour Ahmed, pour la confiance qu’il

prodigué pour la direction et tout l’aide qu’il apporté

durant toute la durée de ce travail de recherche.

Tous des maitres de l’université de OUARGLA et spécial

les maitres de département d’électrotechnique.

Nous adresse aussi nos remerciements à tous nos amis et

collègues { B.Farouk , S.Ismail , B.Mouh , B.Nacer ,

L.OUSSAMA, M.Malek/H.Bilal , S.Moula , D.Djamel ,

A.Hamza , L.Bachir , C.Mehdi , MELAK Sid Ahmed ET

Marouane , B.Faycel ,H.El Mondher ,M.Khaled }

Surtout ceux qui nous apportés un soutien moral,

patience, une amitié inoubliable et précieuse et son

dévouement qui fut particulièrement indispensable.

Enfin, nous tiens à remercier tous ma familles pour leurs

encouragements et leur soutien inconditionnel.

Merci à tous …. AYOUB

Dédicaces

À ma chères mères ;

À mon père ABDEL KARIME ; À tous nos proches de la famille MEDJAOUI

et plus particulièrement, ma sœur et mon frères tout à son nom et sans oublier lES familleS MEDJAOUI et CHERIF

À tous mes chers amis et mes collègues de l’Université de

Ouargla

Et à tous ce qui ont enseigné moi au long de ma vie scolaire

AYOUB

Remercîment Avant tout, je remercie ALLAH, le tout puissant, de

m’avoir donné le courage et la volonté pour accomplir ce

travail de recherche.

Le travail présenté dans ce mémoire a été dirigé par

Monsieur Ahmed DJAFOUR, au sein du laboratoire de

génie électrique à l’université d’Ouargla. Monsieur

DJAFOUR est un docteur à l’université d’Ouargla, Je tiens

à lui exprimer toute ma gratitude et ma reconnaissance

d’avoir proposé et diriger ce travail.

Je tiens également à remercier messieurs les membres

de jury, Ms. Ali BOUHAFS et Ms Med Redha REZOUG,

pour l’honneur qu’ils nous ont fait en acceptant de siéger à

notre soutenance,

Je tiens à remercier mon binôme MEDJAOUI. Med

Ayoub à son support tout le temps.

Je remercie toutes les personnes que je n’ai pas pu citer

ici et qui ont participé, de près ou de loin, à la réalisation

de ce travail. M.Romeyssa, S. Maria, T. Narimane, T.

Soumia, G. Anfel, K. Chaima, B. Sara, S. Sara

Merci à tous …. YOUSRA

Dédicaces

Je dédie ce mémoire :

À mes chers parents source d’amour et soutenir

À mes chères sœurs Source de tendresse, de noblesse et d'affectation Ahlem, Ouafa, Imene, Houda, Meriéme,

Fatima

À mes chers frères Abd Errahmen, Yacine, Faouzi, Rachid, Ibrahim

A mes petites nièces Miral, Djihane, et mon petit frère Mahmoud Adem

A tous mes amis pour leur sympathie, leur humeur et leur solidarité envers moi.

A chacun de penser et cherche à améliorer la science partout

YOUSRA

Nomenclatures

III

Symbole Définition Unité

V

h

C

λ

𝜌 I

D

G

H

Ψ

δ

𝜔 TSV

Gsc

Bopt

I0

Iph

Vt

q

k

a

T

Icc

Vco

Pmax

Imax

Vmax

FF

η

S

E

Rs

Rp

ns

Tk

a

α

β

∆I

∆V

UV

IR

AM

MPPT

PEM

G(ß)

Fréquence.

Constant de Planck.

Vitesse de lumière 3*108.

Longueur d’onde.

Albédo.

Rayonnement direct.

Rayonnement diffus.

Rayonnement global.

Hauteur du soleil.

Latitude du lieu.

Déclinaison du soleil

Angle horaire.

Temps solaire vrai.

Constante solaire.

Angle optimale.

Courant de saturation inverse d’une diode.

Photo courant.

Tension thermique.

Charge d’électron,1.602.10-19.

Constante de Boltzmann,1.38 * 10-23.

Facture d’idéalité ou de qualité de la cellule.

Température.

Courant de court-circuit.

Tension de circuit ouvert.

Puissance maximale.

Courant maximale.

Tension maximale.

Facteur de forme.

Rendement.

Surface de module.

Eclairement.

Résistance série.

Résistance parallèle.

Numéro des cellules série dans le panneau.

Température effective.

Constant de Diode.

Coefficient de courant en fonction de température.

Coefficient de la tension en fonction de température.

Différence du courant.

Différence de tension.

Ultraviolet.

Infrarouge.

Masse d'air.

Maximum Power Point Tracker.

Proton Exchange Membrane.

Rayonnement global.

Hz

-

m/s

µm

-

w/m²

w/m²

w/m²

degré

degré

degré

degré

-

w/m²

degré

A

A

V

C

J/K

-

°C

A

V

W

A

V

-

%

m²

w/m²

ohm

ohm

-

K

-

A/°C

V/°C

A

V

µm

µm

-

-

-

w/m²

Nomenclatures

IV

S(ß)

Dciel-(ß)

Dsol-(ß)

Rayonnement direct.

Rayonnement diffus provenant du ciel.

Rayonnement diffus provenant du sol.

w/m²

w/m²

w/m²

Liste des figures

V

Figures Titres des figures pages

Chapitre 1

Figure (1.1)

Figure (1.2)

Figure (1.3)

Figure (1.4)

Figure (1.5)

Figure (1.6)

Figure (1.7)

Figure (1.8)

Figure (1.9)

Figure (1.10)

Figure (1.11)

Figure (1.12)

Zone d’Ouargla en Algérie.

Température moyenne mensuelle dans 11 ans.

Humidité moyenne maximale et minimale mensuelle.

Précipitation moyenne mensuelle d’Ouargla.

Vitesse moyenne mensuelle du vent en Ouargla.

Valeurs moyennes mensuelles d’heures d’insolation.

Évaporation maximale et minimale pour 11 ans.

Répartition spectrale de l’éclairement énergétique du rayonnement solaire.

Définition de la masse d’air.

Composants du rayonnement solaire.

Mouvement de la terre autour du soleil.

Angles optimaux mensuels d’Ouargla.

3

4

5

5

6

6

7

9

9

10

12

17

Chapitre 2

Figure (2.1)

Figure (2.2)

Figure (2.3)

Figure (2.4)

Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque.

Structure basique d’une cellule solaire.

Différentes technologies des cellules PV.

Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire idéal.

19

20

20

21

Liste des figures

VI

Figure (2.5)

Figure (2.6)

Figure (2.7)

Figure (2.8)

Figure (2.9)

Figure (2.10)

figure (2.11)

Figure (2.12)

Figure (2.13)

Figure (2.14)

Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire réelle.

Caractéristique I=f(V).

Caractéristique P=f(V).

Architecture interne d’un module PV.

Caractéristique courant tension de Ns cellule en série.

Caractéristique courant tension de Np cellule en parallèle.

Caractéristique I=f(v).

Caractéristique P=f(v).

Caractéristique I=f(v).

Caractéristique P=f(v).

23

24

24

25

25

26

26

27

27

28

Chapitre 3

Figure (3.1)

Figure (3.2)

Figure (3.3)

Figure (3.4)

Schéma de principe de l’électrolyse alcaline.

Schéma de principe de l’électrolyse PEM.

Représentations de principe de l’électrolyse à haute température.

Diffusion d’Hydrogène dans le métal et formation d’hydrure métallique.

32

33

34

36

Chapitre 4

Liste des figures

VII

Figure (4.1)

Figure (4.2)

Figure (4.3)

Figure (4.4)

Figure (4.5)

Figure (4.6)

Figure (4.7)

Figure (4.8)

Figure (4.9)

Figure (4.10)

Figure (4.11)

Figure (4.12)

Figure (4.13)

Figure (4.14)

Figure (4.15)

Figure (4.16)

Figure (4.17)

Figure (4.18)

Figure (4.19)

Figure (4.20)

Figure (4.21)

Figure (4.22)

Variation d’éclairement en fonction du temps au cours d’une journée

Variation d’éclairement en fonction du temps au cours d’une

journée

Éléments du système.

Organigramme explicatif de la caractéristique du module PV.

Caractéristique I-V du module.

Caractéristique P-V du module.

Influence de température sur la caractéristique I-V du module.

Influence de température sur la caractéristique P-V du module.

Influence d’éclairement sur la caractéristique I-V du module.

Effet d’éclairement sur la caractéristique P-V du module.

Interface du logiciel solar Hydrogen extension.

Puissance des modules et éclairement en fonction du temps

Rendement des modules photovoltaïques en fonction du temps

Évolution de la puissance des batteries fournies en fonction du temps

Comparaison entre la puissance d’entrée et la puissance de sortie

d’électrolyseur

Rendement d’électrolyseur en fonction du temps

Débit d’Hydrogène en fonction du temps

Volume d’Hydrogène produit pendant une journée

Organigramme énergétique explicatif des différents éléments du système

Trajectoire de la puissance des modules au cours de la puissance maximale

Puissance du système perdue

Comparaison entre la puissance d’entrée d’onduleur et la puissance

redressée d’électrolyseur

40

40

40

41

42

42

43

43

44

44

47

47

48

48

49

49

50

50

51

52

52

53

Liste des tableaux

VIII

Liste des tableaux

Tableaux Titre des Tableaux pages

Chapitre 1

Tableau (1.1)

Tableau (1.2)

Tableau (1.3)

Spécification de site d’Ouargla.

Liste des jours types de mois proposés par Klein.

Valeurs d’irradiation journalière moyenne mensuelle hors

atmosphère.

3

15

16

Chapitre 3

Tableau (3.1)

Tableau (3.2)

Tableau (3.3)

Données techniques régulières sur les différents types

d’électrolyseurs.

Données techniques actuelles sur les différents types de la

pile à combustible

Représentation de production d’Hydrogène dans le monde.

34

37

38

Chapitre 4

Tableau (4.1)

Résultats des paramètres mesurés pendant une journée 45

Sommaire

IX

Remerciements……………………………………………………………………….. I

Dédicaces......................................................................................................................... II

Nomenclatures………………………………………………………………………… III

Liste des Figures………………………………………………………………………. V

Liste des Tableaux…………………………………………………………………... VIII

Sommaire……………………………………………………………………………… IX

Introduction Générale……………………………………………………………….. Page 1

Chapitre I Présentation des données climatiques et solaires de Ouargla

Introduction………………..…………………………………………………………. Page 3

1. Donnés climatiques ……...………………………………………………………… Page 3

1.1. Etude climatologique ………………….………………………………………. Page 3

1.1.1. Spécification de la région d’étude ………………………………………. Page 3

1.1.2. Donnés géographiques ………………………………………………...…. Page 3

1.1.3. La climatologie ……………………………………………………..…….. Page 4

1.1.4. Caractéristiques climatiques ………………………………………..…… Page 4

2. Gisement solaires …………………………………………………………………... Page 7

2.1 Donnés solaires ……………………………………………………………….. Page 6

2.1.1. Le soleil ……………………………………………………………….…… Page 7

2.1.2. Spectre de rayonnement solaire …………………………………………. Page 8

2.1.3. Masse d'air (AM) ………………………………………………………... Page 9

2.1.4. La constante solaire ……………………………………………………... Page 10

2.2. Caractéristiques de rayonnement solaire ………………………………….… Page 10

2.2.1. Rayonnement solaire hors atmosphère ……………………………….… Page 10

2.2.2. Rayonnement solaire au niveau du sol …………………………………. Page 10

2.2.3. Rayonnement solaire sur un plan horizontal ……………………..……. Page 10

2.2.4. Rayonnement solaire sur un plan incliné ………….……………….…. Page 11

Sommaire

X

2.3. Coordonnées horaires …………………………………………………….…... Page 12

2.3.1. Déclinaison solaire (δ) ………………………………………...………….. Page 12

2.4. Coordonnées horizontales …………………………………………..………….

2.4.1. Repérage du soleil à un instant donné ………………………….……….. Page 13

2.4.2. Temps solaires…………………………………………………….……..... Page 14

2.5. Rayonnement solaire en Algérie……………………………………………… Page 14

2.5.1. Calcul de l’irradiation solaire ……………………………………..……. Page 14

2.5.1.1. Éclairement …………………………………………………..…….. Page 14

2.5.1.2. Irradiation horaire ………………………………………………… Page 14

2.5.1.3. Irradiation journalière ………………………………………….… Page 15

2.5.1.4. Irradiation journalière moyenne mensuelle hors atmosphère…. Page15

3. Angle optimale …………………………………………………………………….. Page16

Conclusion …………………………………………………………………………….. Page17

Chapitre II Notations générales sur les systèmes photovoltaïques

Introduction…………………………………………………………………………... Page 18

1. Historique …………………………………………………….……………………. Page 18

2. Conversion photovoltaïque….……………………………………………………. Page 18

3. Cellules photovoltaïque (cellules solaire)…………………………………………. Page 19

3.1. Matériau de construction des cellules.…………………...…………….…….. Page 20

3.2. Technologies des cellules photovoltaïques …………..………………….……. Page 20

4. Caractéristiques électriques et paramètres de la cellule photovoltaïque ……… Page 21

4.1. La caractéristique tension-courant : I=f(v)……………………………….…... Page 21

4.1.1. Caractéristique (I, V) idéal…………………………………………..……. Page 21

4.1.1.1. Nomenclature des paramètres interne …………………………… Page 22

4.1.1.2 paramètres externes………………………………………………… Page 23

4.2. Caractéristique I–V réelle…….………………...………………...……………. Page 23

Sommaire

XI

5. Système photovoltaïque..………………………….……………………………….. Page 24

5.1. Module photovoltaïque..…………………………………………………….…. Page 24

5.1.1. Association en série...……………………………………………..……….. Page 25

5.1.2. Association en parallèle ……………………………………………..……. Page 25

5.1.3. Influence d’éclairement sur les modules photovoltaïques …………...… Page 26

5.1.4. Influence de température sur les modules photovoltaïques .….….…..... Page 27

5.2. Le générateur photovoltaïque ………………………………………….……. Page 28

5.2.1. Critères de choix ……………………………………..…………………... Page 28

5.3. Dispositif de stockage …………………………………………………………. Page 29

5.3.1. Les batteries……………………………………………………………….. Page 29

5.3.2. Types des batteries………………………………………………………... Page 29

5.4. Dispositif de régulation et gestion……………………………………………... Page 29

5.4.1. Les convertisseurs………………………………………………………… Page 29

5.4.1.1. Le convertisseur DC/DC…………………………………………... Page 29

5.4.1.2. Le convertisseur DC/AC…………………………………………... Page 29

5.5. Les applications d’un système PV…………………………………………….. Page 30

5.6. Les avantages d’un système photovoltaïque…………………………………. Page 30

5.7. Les inconvénients………………………………………………………………. Page 30

Conclusion……………………………………………………………………………... Page 30

Chapitre III Les technologies de l’hydrogène solaire

Introduction Page 31

1. Propriétés d’Hydrogène Page 31

2. Production d’Hydrogène solaire Page 31

2.1. Principe de fonctionnement de l’électrolyseur de l’eau Page 32

2.2. Différentes types des électrolyseurs Page 32

2.2.1. Electrolyseur alcalin Page 32

Sommaire

XII

2.2.2. Electrolyseur PEM (Proton Exchange Membrane) Page 33

2.2.3. Electrolyseur à haute température Page 33

2.2.4. Comparaison entre les électrolyseurs de l’eau Page 34

2.2.5. Qualité (pureté) de l’eau Page 35

3. Systèmes photovoltaïques de production d’Hydrogène Page 35

4. Stockage d’Hydrogène Page 35

4.1. Sous forme gazeuse Page 35

4.2. Sous forme liquide Page 36

4.3. Sous forme solide (hydrure métallique) Page 36

5. La Pile à combustible Page 36

5.1. Principe de fonctionnement Page 36

5.2. Types des piles à combustible Page 37

5.3. Les avantage Page 37

5.4. Les inconvénient Page 37

6. Exemples mondial du système à Hydrogène Page 38

Conclusion Page 38

Chapitre IV Expérimentations et simulations

Introduction Page 39

1. L’expérimentation Page 39

1.1Présentation des éléments du système Page 39

1.2. Étude des performances du système en fonction des paramètres climatique

de lieu d’installation

Page 39

1.3. Présentation de lieu d’installation Page 39

2. Appareillage et composants du système Page 40

3.1. Caractéristiques des panneaux photovoltaïques Page 41

3.1.1. Courbes de la caractéristique du module PV Page 42

3.1.2. Validation des paramètres du modèle utilisé Page 44

Sommaire

XIII

3.2. Système de conditionnement (solar Hydrogen extension) Page 45

3.3. Système de production d’Hydrogène Page 46

3.4. Système de stockage d’Hydrogène Page 46

4. Expérimentation de système de production d’Hydrogène Page 46

Résultats des expériences Page 47

5.1. Résultats de la caractérisation des modules PV Page 47

5.1.1. La puissance Page 47

5.1.2. Le rendement Page 48

5.2. Résultats obtenus de batterie Page 48

5.2.1. La puissance Page 48

5.3. Électrolyseur Page 49

5.3.1. Calcul de la puissance de sortie Page 49

Production d’hydrogène Page 50

Bilan énergétique Page 51

Améliorations des performances du système Page 51

Les modules photovoltaïques Page 51

Solar hydrogen extension Page 52

Électrolyseur Page 53

Conclusion Page 53

Conclusion générale Page 54

Bibliographie Page 55

Annexes Page 57

Introduction générale


1

Introduction Générale

Le monde a fourni ds grands efforts pour développer les régions arides, éloignés et

désertiques, pour faire face aux intempéries, ainsi qu’aux contraintes économiques

actuelles liées aux faibles pouvoir d’achats énergétiques. Il doit faire face à des besoins en

énergies sans cesse croissants, comme on ne peut négliger que l’énergie non renouvelable a

largement participé dans l’industrie mondiale avec efficacité (pétrole, gaz naturel,

charbon.), malgré ces conséquences engendrées dont la pollution, l’exportation de

certaines maladies et l’émission des gaz carboniques à effets de serre.

De nos jours-là, l’exploration de la nouvelle énergie renouvelable a permis de

l’exploiter rationnellement et qui représente une solution de remplacement par excellence,

où l’avantage capitale de cette énergie qu’elle ne pollue guère les couches atmosphériques

et qui permet une production mondiale d’énergie propre et non nuisible à savoir

(l’hydraulique, photovoltaïque, éolienne, géothermique, biomasse).

L’énergie solaire est celle qui répond aux besoins mondiale pour l’obtention de

l’électricité autonome d’une manière ou autre. Cette dernière arrivant à la surface de notre

planète verte serait 10 fois plus grande que celle consommées et plutôt un pari sur l’avenir,

une décision délibérée de recourir au moins en partie à une énergie plus respectueuse de

l’environnement.

Cette dotation nécessite des procédures de stockages qui doivent êtres fiables et

propres ; l’hydrogène est la meilleure solution de cette opération.

Ce composant peut être envisagé comme un vecteur énergétique au même titre que

l’électricité en raison de l’absence de pollution lors de sa combustion. Il pourrait être la

clef de voute concernant l’utilisation des énergies renouvelables, en permettant le stockage

de cette énergie sous une forme chimique [2].

L’Hydrogène (H2) est un corps simple gazeux, se combine avec presque tous les

éléments en y formant des hydrures, c’est un excellent réducteur. Sa fusion de noyaux

libère une énergie considérable et pratiquement inépuisable (comme celle du soleil) [2].

Le présent mémoire est divisé en quatre chapitres comme suit :

Le premier chapitre est consacré à la présentation des spécifications géographiques

et climatiques d’Ouargla, ensuite, le rayonnement solaire au niveau des panneaux solaires.


2

Dans le deuxième chapitre, nous allons aborder les notions générales des systèmes

photovoltaïques dont :

- La conversion photovoltaïque

- La construction des cellules solaires,

- Le principe de fonctionnement.

- Les différents types des cellules photovoltaïques et leurs technologies,

- Les principales caractéristiques du système photovoltaïque.

Le chapitre trois est consacré à la technologie de production d’Hydrogène solaire

ensuite, nous illustrons ses propriétés, son stockage et son usage.

Le dernier chapitre porte sur l’expérimentation d’un système PV prototype de

production d’hydrogène solaire, la simulation, l’exposition et l’interprétation des résultats

obtenus suite à l’étude des performances de ce système.

Chapitre I

Présentation

des données

climatiques et

solaires de

Ouargla

Chapitre 1 Présentation des données climatiques et solaires de Ouargla

3

Introduction :

Dans ce 1er chapitre, nous allons représenter les données principaux et interprétants

dont climatiques et solaire de la région saharienne « Ouargla », ensuite, le rayonnement

solaire au niveau des panneaux solaires par surface horizontale et inclinée, l’angle optimal

pour une installation solaire préférable.

1. Données climatiques :

1.1. Etude climatologique :

1.1.1. Spécification de la région d’étude :

La wilaya de Ouargla est située au Sud -est de l’Algérie, couvrant une superficie de

163230 Km2, avec une longueur de 45 Km dans la direction Sud-ouest, sa largeur et de 2 à

5 Km, la cuvette s’étend sur une surface de 99000 Hectares. La région se trouve à une

altitude de 141 mètres, sa latitude est de 31° 57’ Nord et de longitude avec 5° 21’ Est.

Ouargla est limitée géographiquement au nord par Oued Righ, au sud par le grand reg

oriental, à l’Ouest par la vallée du M’Zab, figure (1.1) [3].

Figure (1.1) : Zone d’Ouargla en Algérie

1.1.2. Données géographiques :

Les coordonnées géographique d’Ouargla sont données par le tableau suivant :

Tableau (1.1) : Spécification de site d’Ouargla

Latitude 31°57N

Longitude 5°21E

Altitude 141métres

Albédo 0.35


4

1.1.3. La climatologie :

La climatologie est donc un concept abstrait qui procède d’une généralisation et

d’une intégration des conditions du temps. Les données quotidiennes (précipitations,

température, pression, vent, humidité …) sont agrégées dans le temps afin d’analyser les

tendances sur un espace donné et à une certaine période de l’âge de la Terre [5].

1.1.4. Caractéristiques climatiques :

Ces valeurs sont prises de la station de Météo d’Ouargla « l'ONM » et sont illustrées

comme suit [1] :

La température :

La température est le facteur principal et intermédiaire avec les autres facteurs

climatiques. La ville de Ouargla dans 11 ans (2005-2015) est caractérisée par un climat très

chaud en été (au mois de juillet les températures mensuelles varient de 16°C à 44 °C et très

froid en hiver (au mois de janvier les températures mensuelles sont variables de 4°C à 19°).

Figure (1.2).

Figure (1.2) Température moyenne mensuelle dans 11 ans

T’= (Tmax+ Tmin)/2

T’’= Tmax- Tmin

L’humidité relative :

L’humidité relative de l’air est le pourcentage de vapeur existant dans l’air par

rapport à la quantité maximale que peut contenir l’atmosphère dans les mêmes conditions

de température et de pression [6].

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

J A N F É V M A R A V R M A I J U N J U I L A O U T S E P O C T N O V D É C

T min(C°) T max(C°) T' T''


5

Dans la figure (1.3), nous avons représentés la variation de l’humidité moyenne

maximale et minimale mensuelle calculés sur 11 ans d’observation [2005-2015].

Figure (1.3) : Humidité moyenne maximale et minimale mensuelle

La précipitation :

Autrement dit, la pluviométrie, est caractérisée par des précipitations qui sont rares

et irrégulières dans la zone d’Ouargla. Les précipitations minimums sont observées aux

mois de juillet avec 0.31 mm et un maximum au janvier avec 8.58 mm.

La précipitation mensuelle calculée sur 11 ans (2005-2015) est représentée par la

figure (1.4) ci-dessous :

Figure (1.4) : Précipitation moyenne mensuelle d’Ouargla

0

20

40

60

80

100

jan fév mar avr mai jun juil aout sep oct nov déc

36,8128,72 24,27

19,19 16,8 14,9 13,18 14,8120,36 24,81 22,27 25,81

84,54

65,61 67,2757,54

50,2743,45

38,5444,27

56,6347,18

75,983,45

Humidité relative

humidité moy min(%) humidité moy max(%)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9


8,58

2,95

4,57

1,6 1,460,68

0,31 0,509

3,85 4,036

2,613,38

précipitation.mm


6

0

50

100

150

200

250

300

350

jan fev mars avr mai jun juil aout sep oct nov dec

245,62 241,08264,83 280,55

303,24

249,88

324,79 331,55

262,4 266,42245,31

227,45

insolation.heures

Le vent :

Le vent est le mouvement au sein d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface

d'une planète. Les vents sont globalement provoqués par un réchauffement inégalement

réparti à la surface de la planète provenant du rayonnement solaire [7].

La vitesse moyenne annuelle est : Vmoy=56.39 Km/h

Les observations de 11 ans (2005-2015) sont données dans la figure (1.5) qui suit :

Figure (1.5) : Vitesse moyenne mensuelle du vent en Ouargla

L’insolation :

L’insolation signifie la quantité d'énergie solaire reçue, c'est-à-dire la durée

d'exposition d'un site au Soleil , et est l'hyperthermie provoquée par une exposition

prolongée au Soleil ou à une atmosphère surchauffée.

La durée maximale est en aout avec une valeur de 331.55 heures et durée minimale

en décembre avec 227.45 heures. La figure (1.6) la représenté :

Figure (1.6) : Valeurs moyenne mensuelle d’heures d’insolation

0

20

40

60

80


57,63 54,3659,27

69,6365,18

54,7263,63

57,72 57,8149,36 47,09

43,36

vent.Km/h

https://fr.wikipedia.org/wiki/Atmosph%C3%A8re_%28astronomie%29

https://fr.wikipedia.org/wiki/Gaz

https://fr.wikipedia.org/wiki/Plan%C3%A8te

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_solaire

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_solaire

https://fr.wikipedia.org/wiki/Soleil

https://fr.wikipedia.org/wiki/Hyperthermie


7

L’évaporation :

Est un passage progressif de l’état liquide à un substituant gazeux, le maximum

enregistré est de 449.38 mm au mois de juillet, une valeur minimale de 86.77 mm en

décembre. Vmoy=243.71 mm/an, exprimée dans la figure (1.7) :

Figure (1.7) : Évaporation maximale et minimale pour 11 ans d’observation.

2. Gisement solaire :

2.1. Données solaires :

2.1.1. Le soleil :

Le soleil est une étoile de forme pseudo-sphérique dont le diamètre atteint 1391 000

km. Il est situé à une distance moyenne de 149 598 000 km de la terre.il a d’environ 4.5

milliard d’années. Composé de matières gazeuses, essentiellement de 73.46 %

d’hydrogène et de 24.85 % d’hélium et 1.69 % d’autres matières, il est le siège de réactions

de fusion thermonucléaire permanentes. Ces réactions provoquent la fusion de quatre

protons (noyaux d'hydrogène) pour former une particule alpha (noyau d'hélium), Chaque

seconde, 700 millions de tonnes d'hydrogène sont converties en hélium [7, 8, 12].

Il nous délivre une énergie 10 000 fois plus importante que celle consommée. La surface

extérieure du soleil nommée « photosphère », à une température équivalente à 5800°K, sa

masse est de 1.99 1030 Kg et son rayon est de 696000 Km [9].

Cette étoile est la principale source d'énergie de lumière et de chaleur dans le

système solaire, ce qui a permi la vie sur Terre ; alors que sa surface effectue une

révolution tous les 25,40 jours à l'équateur. En tournant sur lui-même il crée un champ

magnétique 5 000 fois plus intense que celui de la Terre.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450


90,03122,78

196,26

252,12

323,45

394,84

449,38

360,92

287,41

216,79

143,83

86,77

évaporation.mm


8

En fait la distance qui les sépare varie de +/-1.69% au cours de l’année du fait de la légère

excentricité de l’orbite terrestre(e=0.017) [8].

Un corps habile de recevoir un écoulement d’énergie rayonnant sans le diffuser et

sans le transmettre est appelé « noir ». Ce corps à une température de 5800 K et longueur

d’onde donnée, émet le max de flux par rayonnement son facteur d’émission égal à 1 [10].

2.1.2. Spectre de rayonnement solaire :

Le rayonnement solaire est l’ensemble des ondes électromagnétiques émises par le

soleil d’une manifestation externe des interactions nucléaires, Il est composé de toute la

gamme des rayonnements, de l’Ultraviolet lointain comme les rayons gamma aux ondes

radio en passant par la lumière visible.

Le rayonnement solaire contient aussi des rayons spatiaux de particules animées d’une

vitesse et d’une énergie extrêmement élevées, sont porteurs d’une énergie qui est reliée à

leur longueur d’onde par la relation (1.1) :

E = h*v = 𝐡∗𝐂

𝛌 (1.1)

Où h est la constante de Planck, v la fréquence, C la vitesse de la lumière et λ la longueur

d’onde [7, 9, 14].

La distribution en énergie est répartie comme suit [8] :

Ultraviolet ‘UV’ 0.20 < λ < 0.38 µm 6.4%

Visible 0.38 < λ < 0.78 µm 48.0%

Infrarouge ‘IR’ 0.78 < λ < 10 µm 45.6%

L'irradiance spectrale est le flux solaire pour une longueur d'onde donnée est représenté

dans la figure (1.8).


9

Figure (1.8) : Répartition spectrale de l’éclairement énergétique du rayonnement

solaire

2.1.3. Masse d'air (AM) :

On appelle « masse d’air », m, la masse d'atmosphère traversée par le rayonnement

direct pour atteindre le sol (par ciel clair), par rapport à une traversée verticale au niveau de

la mer (figure (1.9)).

Figure (1.9) : Définition de la masse d'air

Cela dépend surtout de la hauteur angulaire du Soleil. À l'aide des points O, A, M et

l’angle h représentes à la figure (1.9), on écrit la longueur du trajet du soleil à travers

l'atmosphère [8] :

OM = 𝐎𝐀

𝐬𝐢𝐧 𝐡 (1.2)

Donc la masse d’air devient :𝑶𝑴

𝑶𝑨=

𝟏

𝒔𝒊𝒏 𝒉 ;


10

Dans l’expression AMx, x désigne ce rapport 𝑶𝑴

𝑶𝑨

2.1.4. La constante solaire :

Elle représente le flux énergétique par unité de surface normale aux rayons solaires.

Se située au sommet de l’atmosphère et orientée perpendiculaire au rayonnement solaire

d’une valeur moyenne “Gsc“ de 1367 w/m². On peut calculer la valeur de “ Gn “ en

fonction du nombre de jours de l’année (j) comme suit [7, 11, 12] :

Gn= Gsc [1+0.033 x cos (0.984 x j)] (1.3)

2.2. Caractéristiques de rayonnement solaire :

2.2.1. Rayonnement solaire hors atmosphère :

La répartition spectrale du rayonnement solaire hors atmosphère est assez proche de

la répartition spectrale de l’émission du corps noir à la température à T = 5800 k.

L’éclairement énergétique d’une surface placée perpendiculairement à l’axe soleil-

terre est en moyen de 1367 w/m² « constante solaire », elle est varié avec la distance terre-

soleil de plus ou moins (3.5%) au cours de l’année [4, 6].

2.2.2. Rayonnement solaire au niveau du sol :

La figure (1.10) représente le rayonnement solaire au niveau du sol et les composants

résultants d’après l’incidence du soleil :

Figure (1.10) : Les composants du rayonnement solaire au niveau du sol.


11

2.2.3. Rayonnement solaire sur un plan horizontal :

L’atmosphère terrestre perturbe grandement et par des processus variée le flux de

photons issu du soleil. Donc, après sa traversée de l’atmosphère, le rayonnement solaire

peut être considéré comme la somme de deux composants :

Rayonnement direct :

Est celui qui traverse l’atmosphère sans subir de modifications, il provient du disque

solaire seulement à l’exclusion de tout rayonnement diffusés, réfléchis par l’atmosphère.

Rayonnement diffus :

Est la part du rayonnement solaire provenant de toute la voûte céleste, à l’exception

du disque solaire, et diffusé par les particules solides ou liquides en suspension dans

l’atmosphère. Il n’a pas de direction favorisée [11].

Rayonnement réfléchi ou (albédo) :

C’est la fraction d’un rayonnement incident diffusée ou réfléchi par un obstacle. Ce

terme étant généralement réservé au sol et aux nuages, c’est une valeur moyenne de leur

réflecteur pour le rayonnement considéré et pour tous les angles d’incidence possible. Par

définition, le corps noir possède un albédo nul [13].

𝝆 = é𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒆 𝒓é𝒇𝒍é𝒄𝒉𝒊𝒆

é𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒆 𝒓𝒆ç𝒖𝒆

Rayonnement global :

Il est la somme du rayonnement solaire directe et du diffus.

Les trois quantités sont reliées par la relation suivante [14].

G= I. Sin (h) + D (1.4)

Où : I : le rayonnement direct en w/m².

D : le rayonnement diffus en w/m².

G : le rayonnement global en w/m².

h : la hauteur du soleil en degré.

2.2.4. Rayonnement solaire sur un plan incliné :

Si les éclairements solaires incidents directs, diffus ou global sur un plan horizontal

sont connus, on peut calculer l’éclairement solaire sur un plan incliné et d’orientation

quelconque.


12

Dans ce cas l’irradiation globale arrivant sur une surface réceptrice inclinée est constituée

de trois composantes :

Composante directe du rayonnement solaire.

Composante diffus, isotrope provenant du ciel.

Composante diffus provenant du sol.

L’expression de la composante du rayonnement solaire global arrivant sur un plan

incliné par rapport à l’horizontal d’un angle β serait de la forme suivante :

G(β) = S(β) + Dciel-(β) + Dsol-(β) (1.5)

Avec :

G(ß) : rayonnement global reçu par un plan incliné.

S(ß) : rayonnement direct arrivant normalement sur un plan incliné.

Dciel-(ß) : rayonnement diffus provenant du ciel, reçu sur un plan incliné.

Dsol-(ß) : rayonnement diffus provenant du sol, reçu sur un plan incliné.

2.3. Coordonnées horaires :

On note quelques paramètres et équations exprimant la position du soleil et ses

coordonnées horaires.

2.3.1. Déclinaison solaire (δ) :

Le mouvement de la terre sur son axe et autour du soleil est schématisé sur la figure

(1.11). Les quatre positions de la terre représentées sur cette figure correspondent aux

solstices et aux équinoxes. On notera en particulier que l’axe de rotation de la terre est

incliné par rapport à l’anormale du plan de l’écliptique d’un angle de 23.45’ [4], et la

déclinaison du soleil (d) varie donc de – 23.45’ (solstice d’hiver le 21 Décembre) à +

23.45’ (solstice d’été le 21 Juin) en passant par 0 aux équinoxes.

Figure (1.11) : Mouvement de la terre autour du soleil.

23.45’


13

L’angle de la déclinaison est donné par l’équation suivante :

δ = 23.45 sin [𝟑𝟔𝟎

𝟑𝟔𝟓(j + 284)] (1.6)

Où j : est le nombre du jour dans l’année.

2.3.2. Angle horaire (w) :

Défini comme étant 15° fois le nombre heures de différence avec le midi solaire,

affecté de signe positif pour les heures de l’après-midi solaire, et négatif pour les heures

avant midi solaire, exprimé par la relation :

𝝎 = 𝟑𝟔𝟎

𝟐𝟒(TSV-12) (1.7)

𝝎 = 0 à midi solaire (méridien)

𝝎< 0 matin

𝝎> 0 après-midi

2.4. Coordonnées horizontales :

2.4.1. Repérage du soleil à un instant donné :

Pour le repérage du soleil en un instant donné on emploie souvent les angles suivants :

Hauteur du soleil en degré (h) :

C’est l’angle que fait la direction du soleil avec sa projection sur le sol, il varie de 0°

à 90° dans l’hémisphère sud, s’annule au lever et au coucher du soleil et qui maximal au

midi solaire, mesuré en degré.

Sin(h)= sin ψ. Sin δ + cos ψ. Cos δ. Cos w (1.8)

L’angle horaire wau lever de soleil s’obtient en écrivant sin (h) = 0

Avec :

Ψ : Latitude du lieu.

δ : La déclinaison du soleil.

𝝎 : L’angle horaire.

Azimut du soleil (a) :

C’est l’angle que fait la projection de la direction du soleil avec la direction du sud,

cet angle étant mesuré positivement vers l’ouest.


14

𝐬𝐢𝐧(𝒂)= 𝐜𝐨𝐬(𝜹).𝐬𝐢𝐧(𝝎)

𝐜𝐨𝐬(𝒉) (1.9)

2.4.2. Temps solaires :

Temps solaire vrai TSV :

Par définition, il est le midi solaire lorsque l’angle horaire est égal à 0. On appelle «

temps solaire vrai » en un lieu et à un instant donné, l’angle horaire du soleil en ce lieu à ce

lieu, exprimé par l’équation :

TSV = 12 + 𝛚

𝟏𝟓 (1.10)

2.5. Rayonnement solaire en Algérie :

Grâce à la constitution terrestre de l’Algérie, elle est classée une zone

particulièrement bien ensoleillée. Les durées d’ensoleillement moyen varient de 2650h/an

dans le nord, à 3500h/an dans le sud [6].

2.5.1. Calcul de l’irradiation solaire :

2.5.1.1. Éclairement :

L’éclairement extraterrestre à la limite supérieure hors atmosphère, sur un plan

horizontal, est calculé à partir de la constante solaire Gsc et de la facture de correction de la

distance [4].

I = Gsc (1+0.033 cos𝟑𝟔𝟎𝒋

𝟑𝟔𝟓 ) (cos ψ. cos δ. cos 𝝎 + sin ψ+ sin δ) [w/m²] (1.11)

Avec :

j : Le numéro de jour de l’année .

Gsc : La constante solaire, Gsc=1367 w/m².

2.5.1.2. Irradiation horaire :

Pour une heure déclarée, L’intégration de l’équation (1.11) sera calculer l’énergie

obtenue sur une surface horizontale entre deux angles horaires. Il est défini comme suit :

I0 = 𝟏𝟐.𝟑𝟔

𝝅Gsc (1+0.033 cos

𝟑𝟔𝟎 𝒋

𝟑𝟔𝟓 ) (cos ψ. cos δ. (sin 𝝎2 –sin 𝝎1) + (𝝎2 – 𝝎1).sinψ. sin δ)

(1.12)

Où : I0 est en [w/m²h].


15

2.5.1.3. Irradiation journalière :

Pour un jour j déclaré, l’énergie reçue sur une surface horizontale H0 est

obtenue par l’intégration de l’équation (1.11) (de lever au coucher du soleil). On

obtient [4] :

H0= 𝟐𝟒

𝝅Gsc (1+0.033 cos

𝟑𝟔𝟎 𝒋

𝟑𝟔𝟓 ) (cos ψ. cos δ. cos 𝝎 + sin ψ+ sin δ) (1.13)

Avec :

𝝎s = cos -1 (-tan φ.tan δ)

Gsc : La constante solaire (w/m²).

δ : La déclinaison du soleil.

Ψ : Latitude de lieu.

2.5.1.4. Irradiation journalière moyenne mensuelle hors atmosphère :

Jour type du mois :

Pour une grandeur donnée, le jour type du mois est le jour du mois qui se

rapprochent de la moyenne mensuelle de cette grandeur.

La liste des jours types proposés par Klein [6] est représentée sur le tableau suivant :

Tableau (1.2) : Liste des jours types du mois proposé par Klein

Pour calculer l’irradiation journalière moyenne mensuelle, on utilise l’équation (1.13)

avec :

n: Le numéro de jour type du mois.

Le résultat est présenté dans le tableau suivant [6, 14] :

Mois Jan Fév Mar Avr Mai Jun Juil Aou Sep Oct Nov Déc

Jour type 17 16 16 15 15 11 17 16 15 15 14 10

N° de

jour 17 47 75 105 135 162 198 228 258 288 318 344


16

Tableau (1.3) : les valeurs de l’irradiation journalière moyenne mensuelle hors

atmosphère.

3. Angle optimal :

L’angle optimal est un paramètre nécessaire pour les installations solaires, il est

calculé par les relations suivantes [17] :

a) Janvier au mars :

Bopt= 60.00012 + 1.49986*Nm- 3.49996*Nm² + (φ -30) [0.7901+0.01749*Nm+0.0165*

Nm²] (1.4)

b) Avril au juin :

Bopt= 216.0786 -72.032219*Nm+6.0031*Nm² + (φ -40) [1.07515+0.11244*Nm-0.03749*

Nm²] (1.5)

c) Juillet au septembre :

Bopt= 29.11831 - 20.5298*Nm+2.50186*Nm²+ (φ -50) [-11.17256 +2.70569*Nm-

0.015035* Nm²] (1.6)

d)Octobre au décembre :

Mois N° de jour δ déclin(°) �̅�0 [𝒘𝒉

𝒎²𝒋]

Jan 17 - 20.9 5592.3

Fév 16 - 12.5 6943.3

Mars 16 -2.0 8579.3

Avr 15 9.6 10139

Mai 15 18.7 11120

Jun 11 23.1 11472

Juil 17 21.3 11256

Aout 16 14.0 10466

Sep 15 3.3 9098.8

Oct 15 - 8.3 7390.3

Nov 14 - 18.1 5891.5

Déc 10 - 22.9 5202


17

Bopt= - 441.2385 + 84.54332*Nm – 3.50196*Nm²+(φ -40)[4.2137- 0.54834*Nm +

0.0223* Nm²] (1.7)

où :

Nm : numéro du mois dans l’année.

φ: Latitude de Ouargla : 31.95°.

La figure suivante montre la trajectoire des angles optimaux mensuels au cours d’une

année.

Figure (1.12) : Angles optimaux mensuels d’Ouargla.

Conclusion :

Dans ce chapitre, nous avons exposé les données climatiques de la région de Ouargla

ensuite nous avons présenté une brève description sur les notions principales du gisement

solaire.

D'après les données climatiques et l’étude du rayonnement solaire, nous avons

constaté que l'insolation est considérable à Ouargla ce qui favorise cette région pour

l’installation des systèmes solaires.

0 2 4 6 8 10 12-10

0

10

20

30

40

50

60

70

Mois

B o

pt

Chapitre II

Notions

générales sur les

systèmes

photovoltaïques

Chapitre 2 Notions générales sur les systèmes photovoltaïques

18

Introduction :

Ce chapitre aborde les stations concernant le système dont la conversion PV,

suivant, les cellules solaires, ses constructions, ses technologies. Finalement, nous allons

élucider les éléments composés des systèmes PV et éléments influencés.

1. Historique :

Pour les premiers des temps, en 1839, Edmond Becquerel a étudié le courant produit

entre deux électrodes métalliques dans un électrolyte avec une électrode illuminée par le

soleil. En 1905, le physicien Einstein a posé un papier sur le potentiel de production

d’électricité à partir de la lumière solaire, En 1913, William Coblentz a posé le premier

brevet pour une cellule solaire, mais il ne pourra jamais la faire fonctionner. En 1916,

Robert Millikan a été le premier à produire de l'électricité avec une cellule solaire .Le 1er

panneau solaire a été construit en 1954 annoncent la mise au point d'une cellule dont le

rendement de conversion énergétique atteint 6%, marquant ainsi véritablement la naissance

de l'électricité photovoltaïque par les laboratoires Bell, il était appelé « batterie solaire ».

En 1970, les crises pétrolières renforcent l’intérêt et les crédits accordés à l’énergie

photovoltaïque, le premier mégawatt crête installé est atteint dés1978. De 2006 à 2011 : la

capacité photovoltaïque totale installée dans le monde a plus que décuplé en 5ans [18].

2. Conversion photovoltaïque :

L’énergie solaire est surabondante et gratuite. La lumière solaire (photons) réchauffe

les cellules photovoltaïques, ce qui permet de convertir cette énergie lumineuse stockée,

en énergie électrique d’une façon directe et rapide. Ces cellules sont basées sur le

phénomène physique appelé ‘effet Photovoltaïque’, la tension générée sur la surface peut

varier de 0.3 et 0.7 v selon le type de matériau utilisé et sa disposition, (le silicium dans

notre cas).

Le matériau semi-conducteur comporte deux parties, l’une présentant un excès

d’électrons et l’autre un déficit d'électrons. Ces deux parties sont respectivement dites «

dopées » de type n et de type p. Le dopage des cristaux de silicium consiste à leur ajouter

d’autres atomes pour améliorer la conductivité du matériau [19].

http://www.panneaux-solaires-france.com/energie-solaire

http://www.panneaux-solaires-france.com/energie-solaire

http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/choc-petrolier


19

On parle de dopage de type n comme négatif, car les électrons (de charge négative)

sont excédentaires. L’autre couche est dopée avec des atomes de bore qui ont 3 électrons (1

de moins que le silicium). On parle de dopage de type p comme positif en raison du déficit

d’électrons ainsi créé. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les

électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. figure (2.1) [20].

Figure (2.1) : Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque.

3. Cellules photovoltaïque (cellules solaire) :

Une cellule solaire photovoltaïque est une plaquette de silicium (semi-conducteur),

capable de convertir directement la lumière solaire (photons) en électricité. Le courant

obtenu est un courant continu et la valeur de la tension obtenue est de l'ordre de 0,6 V.

Elle met en jeu trois phénomènes physiques dont [8, 16] :

L’absorption de la lumière dans le matériau.

Le transfert d’énergie des photons aux charges électriques.

La collecte des charges.

Le photon est la particule élémentaire qui constitue le rayonnement

électromagnétique, dont un exemple, le courant est la lumière visible. Tout photon

transporte une petite quantité d’énergie. Dans le vide absolu, un photon voyage à la vitesse

de la lumière, c'est-à-dire à environ 300 000km/s.

La cellule PV ou encore photopile est le plus petit élément d’une installation

photovoltaïque, elle est constituée par des dispositifs consacré par la figure (2.2) [21].


20

Figure (2.2) : Structure basique d’une cellule solaire.

3.1. Matériau de construction des cellules :

Le silicium est l’un des semi-conducteurs le plus important et utilisable aux

fabrications des cellules solaires (photopile). Autrement dit, qu’il se trouve que sous forme

composée et uni Il est le plus encombrant dans la nature après l’oxygène, Le silicium

constitue environ 28% de l'écorce terrestre sous forme de composés (silicates, silice), ce

qui en fait une source quasi- inépuisable [22].

3.2. Technologies des cellules photovoltaïques :

Il existe différents types de cellules solaires ou cellules photovoltaïques. Figure (2.3) :

Figure (2.3) : Différentes technologies des cellules PV.

Chaque type de cellule est caractérisé par a un rendement et un coût qui lui sont

propres. Cependant, quel que soit le type, le rendement reste assez faible entre 5 et 18 % de


21

D

Id

V

I

Iph

l’énergie que les cellules reçoivent. Actuellement, il existe trois principaux types de

cellules comme suit :

a. Silicium monocristallines :

Elles ont le meilleur rendement (de 12 à 18% voir jusqu'à 24.7 % en laboratoire),

cependant, elles coûtent trop chers due à leur fabrication complexe, elles ont la couleur

bleue foncé unifié.

b. Silicium poly cristallines :

Leur conception est plus facile et leur coût défibrination est moins important, leur

rendement est plus faible (de11% à 15% jusqu’à 19.8% en laboratoire).

c. Silicium amorphes (en couche mince):

Les cellules photovoltaïques amorphes sont produites à partir d'un « gaz de

silicium », qui est projeté sur le verre, le plastique souple ou le métal, par un procédé de

vaporisation sous vide. Cette technique permet d'utiliser des couches très minces de

silicium.

Elles ont un faible rendement (5% à 8%, 13% en laboratoire), mais ne nécessitent

que de très faibles épaisseurs de silicium et ont un coût peu élevé. Elles sont utilisées

couramment dans de petits produits de consommation telle que des calculatrices solaires ou

encore des montres.

L’avantage de ce dernier type est le fonctionnement avec un éclairement faible

(Même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment) [16].

4. Caractéristiques électriques et paramètres de la cellule photovoltaïque :

4.1. La caractéristique tension-courant : I=f(v) :

4.1.1. Caractéristique (I, V) idéal :

Sous illumination, avec un changement de signe purement conventionnel pour le

courant, cette relation devient. Figure (2.4) :

Figure (2.4) : Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire idéal


22

La relation qui décrit le courant de sortie est :

I=Iph-I0(𝐞𝐕

𝐚∗𝐕𝐭 − 𝟏) (2.1)

Iph : Photo courant, ou courant généré par l'éclairement (G). Ce courant correspond

également au courant de court-circuit [4].

Nomenclature des paramètres internes :

I0 : Le courant de saturation inversé d’une diode.

Il a la forme qui suit :

I0 =𝑰𝒑𝒉−𝑰

𝒆𝑽

𝒂∗𝑽𝒕−𝟏

(2.2)

La tension thermique de cette caractéristique est définie par :

Vt = 𝐚 ∗𝐊 𝐓

𝐪 : (2.3)

Ensuite, nous avons caractérisé la formule de la tension de sortie :

V=Vt*log (𝑰𝒑𝒉−𝑰

𝑰𝟎 +1)

(2.4)

q : charge d’électron (1.602 * 10-19 C).

k: constante de Boltzmann (1.38 * 10-23 J/K).

a : Facture d’idéalité ou de qualité de la cellule, comprise entre 1 et 2 dans la pratique.

T: La température effective en kelvin.

A l’aide de l’équation précédente, on peut quantifier les paramètres suivants :

Lorsque la tension V = 0, le courant de Photo courant vaut :

Iph= Icc (2.5)

Et la tension de circuit ouvert, Vco, lorsque le courant est nul :

Vco = 𝐊.𝐓

𝐪 ln (1 +

𝐈𝐩𝐡

𝐈𝟎 )

(2.6)Ou, pour Icc>> I0 :


23

D

Id

V

I

Iph

Rs

Rp

Ip

Vco = 𝐊.𝐓

𝐪 ln (

𝐈𝐩𝐡

𝐈𝟎 ) (2.7)

Le courant du court-circuit devient :

Icc=I0 (𝒆𝑽𝒄𝒐

𝑽𝒕 − 𝟏) (2.8)

Entre le point (I, V) = (Vco, 0) et le point (I, V) = (0, Icc), on représente la

caractéristique I-V. Parallèlement de cette représentation, on calcule la puissance maximale

donnée par :

Pmax = Imax* Vmax (2.9)

Paramètres externes :

Facteur de forme :

Est un coefficient qui représente le rapport entre la puissance maximale qui peut

délivrer par la cellule et la puissance formée par le produit Icc*Vco. Ce rapport a pour

objectif, la qualification de qualité d’une cellule ou d’un GPV.

FF =𝐏𝐦𝐚𝐱

𝐕𝐜𝐨∗𝐈𝐜𝐜 (2.10)

Rendement :

Le rendement énergétique est défini comme le rapport entre cette puissance

maximale produite et la puissance du rayonnement solaire qui arrive sur le modules PV.

Si S est la surface de ce module en m², et E l’éclairement en W/m², le rendement

énergétique s’écrit : η = 𝐏𝐦𝐚𝐱

𝐄.𝐒 (2.11)

4.2. Caractéristique I–V réelle :

Figure (2.5) : Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire réelle.


24

La figure (2.5) représente le schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque réelle. Il

correspond à un générateur de courant I monté en parallèle avec une diode. Deux

résistances parasites sont introduites dans ce schéma.

⦁La résistance série (Rs) : est la résistance interne de la cellule, elle dépend

principalement de la résistance du semi-conducteur utilisé, de la résistance de Contact des

grilles collectrices et de la résistivité de ces grilles.

⦁La résistance parallèle (Rp) : est due à un courant de fuite au niveau

de la jonction, elle dépend de la façon dont celle-ci a été réalisée [21].

L’équation (2.12) représente cette caractéristique :

I= Iph – I0 (𝒆𝑽+𝑹𝒔∗𝑰

𝒂∗𝑽𝒕 -) – 𝑽+𝑹𝒔∗𝑰

𝑹𝒑 (2.12)

Figure (2.6) : caractéristique I=f(V) Figure (2.7) : caractéristique P=f(V)

5. Système photovoltaïque :

Est un système complet assurant la production et la gestion de l’électricité fournie

par les capteurs photovoltaïques. L’énergie est stockée dans des accumulateurs et/ou

transformée en courant alternatif suivant le type d’application. Ce système PV est

décomposé par :

5.1. Module photovoltaïque :

Le « module » photovoltaïque est par définition un convertisseur d’énergie

lumineuse en électricité et un ensemble de photopiles assemblées pour générer une

puissance électrique exploitable lors de son exposition à la lumière. En effet, une photopile

élémentaire ne génère pas suffisamment de tension .il faut presque toujours plusieurs

Pmax


25

photopiles en série pour générer une tension utilisable. Contient généralement de 36 à 72

cellules PV. Voir figure (2.8).

Figure (2.8) : Architecture interne d’un module PV.

5.1.1. Association en série :

Par association en série (appelée "String"), les cellules sont traversées par le même

courant et la tension résultante correspond à la somme des tensions générées par chacune

des cellules. Figure (2.9).

Figure (2.9) : caractéristique courant tension de Ns cellule en série.

Vsco= ns × Vco (2.13)

5.1.2. Association en parallèle :

Par association en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et le

courant résultant correspond à la somme des courants générés par chacune des cellules.

Figure (2.10).


26

0 5 10 15 20 25 30 35

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Tension

Co

uran

t

400 w/m²

600 w/m²

800 w/m²

1000 w/m²

Figure (2.10) : caractéristique courant tension de Np cellule en parallèle.

5.1.3. Influence d’éclairement sur les modules photovoltaïques :

A : Influence sur la caractéristique I=f(v) :

La figure (2.11) montre la caractéristique I-V d’un module PV en fonction de

l'éclairement incident et à température constante.

La valeur du courant du court-circuit est proportionnelle à l’intensité d’éclairement,

la valeur de tension de circuit ouvert varie peu par rapport à la variation de l’éclairement.

Figure (2.11) : Caractéristique I=f(v).

B : l’influence sur la caractéristique P=f(v) :

Cette figure illustre que la tension est quasi constante en fonction de variation

d’éclairement, la puissance est proportionnelle à l’intensité d’éclairement.


27

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Tension

Co

uran

t

75 °c

50 °c25 °c

0 °c

0 5 10 15 20 25 30 35

0

50

100

150

200

250

Tension

pu

issa

nc

e

400 w/m²

600 w/m²

800 w/m²

1000 w/m²

Figure (2.12) : Caractéristique P=f(v).

5.1.4. Influence de température sur les modules photovoltaïques :

A : sur la caractéristique I=f(v) :

La figure ci-dessous représente la caractéristique I-V pour un éclairement constant et

pour diverses valeurs de température. Le courant du court-circuit Icc varie peu en fonction

de température. Par contre, l'augmentation de la température engendre une diminution de la

tension du circuit ouvert :

Figure (2.13) : Caractéristique I=f(v).

La figure ci-dessus représente la caractéristique I-V pour un éclairement constant et

pour diverses valeurs de température. Le courant de court-circuit Icc varie peu en fonction

de température. Par contre, l'augmentation de la température engendre une diminution de la

tension du circuit ouvert.


28

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0

50

100

150

200

250

300

Tension

Pu

issan

ce

0°c

25°c50°c

78°c

B : sur la caractéristique P=f(v) :

Figure (2.14) : Caractéristique P=f(v).

La variation de température influe sur la tension du circuit ouvert d’une façon

observable, l’augmentation de température engendre une augmentation de tension, par

contre, la puissance est peu sensible à cette variation.

5.2. Le générateur photovoltaïque :

Est un regroupement des modules solaires pour assurer la puissance demandée par

l’installation

Les générateurs sont utilisés :

Pour les applications très simples telles que les calculettes ou les chargeurs de piles,

ils peuvent faire fonctionner n’importe quel appareil alimenté par des piles.

Pour les installations connectées au réseau ou les centrales photovoltaïques.

5.2.1. Critères de choix :

En entrée :

La puissance maximale.

La tension maximale.

La plage de tension d’entrée.

Le nombre maximal de string raccordables.

En sortie :

La puissance maximale et la puissance nominale.

La tension nominale et la fréquence nominale.

Le rendement.


29

5.3. Dispositif de stockage :

5.3.1. Les batteries :

Les batteries sont des ensembles des cellules électrochimiques connectées en série.

Les cellules électrochimiques des batteries ne sont pas des cellules photovoltaïques, dont le

principe de fonctionnement est complètement différent. Les cellules de batteries se

composent de deux électrodes (ou « plaques ») immergées dans une solution d’électrolyte.

Lorsqu’un circuit se crée entre les électrodes, un courant circule, provoque par la réaction

chimique réversible entre les électrodes et l’électrolyte dans la cellule.

Lors de la charge, l’énergie électrique fournie par le générateur est stockée dans les

cellules sous forme d’énergie chimique. Lors de la décharge (lorsque la batterie est reliée à

un circuit comportant une charge) l’énergie chimique emmagasinée est reliée de la batterie

et convertie en énergie électrique [14].

5.3.2. Types des batteries :

Les types de batteries d’accumulateur rechargeables les plus répandus au monde sont

les batteries au plomb (plomb –acide), lithium-ion, nickel-hydrure métallique et au nickel-

cadmium. Les batteries au plomb sont extrêmes répandues, bon marché et conviennent à

tous les types d’installations solaires photovoltaïques à l’exception des moins puissantes.

Les trois autres types sont utilisés uniquement pour des applications consommant peu

d’énergie.

5.4. Dispositif de régulation et gestion :

5.4.1 Les convertisseurs :

Les convertisseurs sont des appareils servant à transformer la tension continue

fournie par les panneaux ou les batteries pour l’adapter à des récepteurs fonctionnant soit à

une tension continue différente, soit à une tension alternative.

Le système photovoltaïque a deux convertisseurs essentiels pour sa démarche :

5.4.1.1.Le convertisseur DC/DC :

Ce type est utilisé pour transformer la tension des batteries à une tension DC

différente pour alimenter un appareil, par exemple radio, un ordinateur portable.

5.4.1.2. Le convertisseur DC/AC :

L’onduleur permet de convertir le courant continu produit par les panneaux

photovoltaïques en courant alternatif identique à celui du réseau électrique.


30

Il calcule en permanence le point de fonctionnement (tension-courant) qui produit la

puissance maximale à injecter au réseau : c’est la MPPT (Maximum Power Point Tracker),

ce fonctionnement dépend de l’ensoleillement et de la température.

5.5. Les applications d’un système PV :

Parmi des nombreux applications d’un système PV, on note les plus connues dont :

Les Satellites.

L'usage Domestique Ou En Entreprises.

Les Voitures et Avions.

L’éclairage public.

Chargeur de portables mobile.

Pompage solaire pour assurer l’irrigation.

Production de l’Hydrogène.

5.6. Les avantages d’un système photovoltaïque :

L'énergie photovoltaïque peut être installée partout, même en ville.

L'énergie photovoltaïque est renouvelable et gratuite.

Le contrat d'achat est conclu pour une durée de 20 ans.

Une énergie gratuite, renouvelable, non taxée et sans rejets dans l’environnement.

5.7. Les inconvénients :

Les panneaux solaires coûtent excessivement cher, du fait de la haute technicité

qu'ils requièrent.

Le rendement électrique diminue avec le temps (20% de moins au bout de 20 ans).

Le rendement réel de conversion d'un module est faible.

Conclusion :

Dans ce chapitre, nous avons représenté la conversion directe de l’énergie solaire

photonique en électricité, la description de système photovoltaïque et son fonctionnement,

avec l’influence des paramètres dont la température et l’éclairement sur les caractéristiques

du module.

Finalement, nous avons conclu que les paramètres du système PV sont influencés

par la variation de l’éclairement solaire disponible et aussi la température ambiante.

Chapitre II

Les technologies

de l’hydrogène

solaire

Chapitre 3 Les technologies de l’hydrogène solaire

31

Introduction :

La civilisation mondiale consomme les énergies à combustion fossiles d’une façon

énervante et irrationnelle. Ce secteur d’énergie confronté à des défis auxquels contribuent

de manière importante les émissions de gaz à effet de serre, pour ce là, le secteur des

énergies vertes (renouvelables) est la stratégie parfaite qui cherche à réduire ces émissions

polluantes. Le recours à l’Hydrogène est l’une des solutions envisagées pour former une

énergie la moins nocive pour l’environnement, cet élément chimique se trouve dans

l’univers d’une image presque régulièrement combiné avec d’autres atomes, le charbon

(méthane, propane.), avec l’oxygène (l’eau). Est un candidat potentiel pour remplacer les

vecteurs d’énergie produits à partir du pétrole ou charbon [21, 23].

Aujourd’hui, la production mondiale d’hydrogène est principalement assurée par

deux procédés: le vapo-reformage de méthane ou de gaz naturel, ce procédé est intéressant

car il peut produire des quantités supérieures à 1000 Nm3 H2 / h, mais il présente

l’inconvénient majeur d’émettre des gaz à effet de serre (CO2), par contre, l’électrolyse de

l’eau (qui ne nécessite que de l’eau et de l’électricité, laquelle peut être d’origine

renouvelable ou nucléaire) constitue donc un mode de production d’hydrogène plus

respectueux de l’environnement [24].

Ce dernier sera reproduit de l’électricité à partir d’un médiateur qui s’appelle la pile à

combustible.

Dans ce chapitre, nous représentons la technologie de production d’Hydrogène à

travers le photovoltaïque et l’électrolyseur et nous illustrons ses propriétés, son stockage et

son usage.

1. Propriétés d’Hydrogène :

L'hydrogène est un élément très nombreux aux milieux des eaux, ainsi que dans les

combustibles fossiles, avec une existence dépendante (H2). Il est le plus léger des gaz avec

une masse moléculaire de 2 g/mol [25]. Il a, par Conséquent, la densité la plus faible. C'est,

après l'hélium, le gaz ayant la plus faible température d'ébullition (-253°C ou 20 K) ce sera

transféré en liquide, une très grande vitesse de translation des molécules à l’état gazeux. Il

n’est ni polluant, ni toxique.

2. Production d’Hydrogène solaire :

L’utilisation courante consiste bien évidemment à produire de l’électricité à partir de


32

L’énergie verte solaire et d’utiliser cette électricité pour réaliser l’électrolyse de l’eau afin

de produire l’Hydrogène.

2.1. Principe de fonctionnement de l’électrolyseur de l’eau :

L’électrolyse de l'eau est une réaction électrochimique de décomposition de l’eau en

hydrogène(2H) à la cathode, borne électrique négative et en oxygène(O) à l'anode, borne

électrique positive. Elle est rendue possible par le passage d’un courant continu à travers

deux électrodes immergées dans un électrolyte liquide ou solide.

2.2. Différents types des électrolyseurs :

2.2.1. Electrolyseur alcalin :

L’électrolyse alcaline est la technologie la plus connue pour la production

d’hydrogène électrolytique mais également pour la production de nombreux composés

chimiques dont le chlore. Elle bénéficie ainsi d’une très grande maturité industrielle.

Dans un électrolyseur à technologie alcaline, l’électrolyte est une solution humide

d’hydroxyde de potassium (KOH). La conduction ionique est alors assurée par les ions

hydroxyde (OH-) et potassium (K+). Les réactions anodiques et cathodiques sont décrites

ci-dessous [26].

à l’anode : 2OH-→ 1/2 O2 + H2O + 2e- (3.1)

à la cathode : 2H2O+ 2 e-→ H2 + 2OH (3.2)

La figure ci-après, illustre de manière schématique l’électrolyse alcaline :

Figure (3.1) : Schéma de principe de l’électrolyse alcaline.


33

2.2.2. Electrolyseur PEM (Proton Exchange Membrane) :

La principale caractéristique de cet électrolyseur est son électrolyte solide, constitué

d’une membrane polymère. Il assure ainsi la conduction des ions hydronium (H3O +)

produits à l’anode et permet la séparation des gaz produits (H2 et O2), selon les réactions

ci-dessous [26] :

à l’anode : 3H2O →1/2 O2 + 2H3O + 2 e- (3.3)

à la cathode : 2H3O ++ 2 e-→H2 + 2H2O (3.4)

Le principe de l’électrolyse PEM est décrit schématiquement par la figure (3.2). Les

performances dépendent essentiellement des caractéristiques de la membrane et des

catalyseurs utilisés. Ces deux composants constituent encore aujourd’hui les principaux

verrous technologiques de l’électrolyse PEM.

Figure (3.2) : Schéma de principe de l’électrolyse PEM.

2.2.3. Electrolyseur à haute température :

Le principe de l’électrolyse à haute température (700 à 1000°C), repose sur la

décomposition des molécules d’eau sous forme vapeur au niveau de la cathode. Cette

décomposition dépend alors de la nature de l’électrolyte Toute fois, les hautes températures

nécessitent l’utilisation de matériaux spécifiques : c’est pourquoi l’électrolyte et les

électrodes sont conçus à base de Céramiques [23]. Celui-ci peut assurer soit une

conduction protonique soit une conduction d’ions super oxydes O2-. Figure (3.3). Les

réactions mises en jeu au niveau des électrodes sont décrites ci-dessous en fonction du type

d’électrolyte [26] :


34

Électrolyte à conduction d’ions super oxydes :

à l’anode : 2O2-→ O2 + 4e – (3.5)

à la cathode : 2H2O + 4e- → 2O2- + 2H2 (3.6)

Électrolyte à conduction protonique :

à l’anode : 2H2O→ 4H+ + O2 + 4e – (3.7)

à la cathode : 4H+ + 4e-→ 2H2 (3.8)

La figure ci-après illustre de manière schématique l’électrolyse à haut température :

Figure (3.3) : Représentations du principe d’une électrolyse à haute température.

2.2.4. Comparaison entre les électrolyseurs de l’eau :

Le tableau qui suit illustre les différents types de l’électrolyseur et leurs données

techniques actuelles, avec une comparaison entre eux [23].

Tableau (3.1) : Données techniques régulières sur les différents types d’électrolyseurs

2.2.5. Qualité (pureté) de l’eau :

L’eau introduite dans l’électrolyseur doit être le plus pur possible car les impuretés

Types

d’électrolyseur

Température de

fonctionnement

(°C)

Pression de

fonctionne

ment (bar)

Consommation

électrique

(KW/Nm3 de H2)

Rendement

énergétique

(%)

Durée de

vie (ans)

Alcalin 40 – 90 3 - 30 4 - 5 4 - 5 15 - 20

PEM 20 - 100 1 - 400 6 80 - 90 15 - 20

Haute

température 700 – 1000 50 3 – 3.5 80 - 90 -----


35

demeurent dans l’appareil et s’accumulent au fil de l’électrolyse. Elles terminent par

perturber les réactions électrolytiques par :

Formation de boues.

Action des chlorures (les halogénures en général) qui détruisent la protection par

nickelage ou le nickel massif des anodes.

Après une première épuration, l’eau traverse un filtre à charbon actif, puis subit une

déminéralisation totale par passage sur un filtre à couche mixte à échangeur d’ions [27].

3. Systèmes photovoltaïques de production d’Hydrogène :

La production d’Hydrogène par l’électrolyse de l’eau à l’aide d’une énergie

électrique d’origine solaire photovoltaïque, peut passer par trois couplages connus :

Couplage direct : générateur PV- électrolyseur :

Ce couplage est l’accordement le plus simple suivant l’éclairement et la température.

La connexion directe est surtout utilisée pour sa simplicité de mise en œuvre et son faible

coût.

Couplage à travers des batteries :

L’accordement batteries-électrolyseur est basé sur l’énergie solaire reçue à partir des

panneaux installés, cette énergie sera stockée dans des accumulateurs afin d’alimenter

l’électrolyseur. Cette procédure peut produire l’Hydrogène indirectement.

Couplage à travers MPPT :

Un contrôleur MPPT permet de piloter le convertisseur statique reliant

l’électrolyseur et le panneau photovoltaïque de manière à fournir en permanence le

maximum de puissance à la charge.

4. Stockage d’Hydrogène :

Le stockage de l’Hydrogène est le processus adapté pour conserver cet élément

chimique, ça va être sous trois formes dont :

4.1. Sous forme gazeuse :

Le stockage sous pression est une technique très éprouvée, ça n’empêche plus que

l’Hydrogène est léger et volumineux, pour ce là, il doit être comprimé au maximum pour

réduire l'encombrement des réservoirs. La pression de stockage est de l’ordre de 200 à 250


36

bars, elle peut passer 350 bars. Les développements concernent maintenant des réservoirs

pouvant résister à des pressions de 700 bars.

4.2. Sous forme liquide :

Le stockage d’hydrogène sous cette forme nécessite une énergie considérable et une

base température (-253°C) pour le refroidissement de ce dernier. Il est le gaz le plus

difficile à liquéfier après l’hélium. Il perd de 3 à 4% de son volume en vapeur par jour.

Cette technologie est très cher et énergivore [20].

4.3. Sous forme solide (hydrure métallique) :

L’hydrogène forme des hydrures avec certains métaux et alliages métalliques, les

conditions de formation des hydrures sont modérées en termes de pression et température,

ces conditions d’opération fournissent un avantage de sécurité et de simplicité sur celles

requises pour les procédés de compression et de liquéfaction [24].

Figure (3.4) : diffusion d’Hydrogène dans le métal et formation d’hydrure métallique.

Le rôle de l’Hydrogène ne s’arrête pas après son stockage, il est le combustible idéal

des piles à combustible pour récupérer l’énergie électrique que de l’eau.

5. La Pile à combustible :

5.1. Principe de fonctionnement :

Une pile à combustible est un dispositif de conversion d’énergie chimique en énergie

électrique d’une façon directe sans aucun processus thermique ou mécanique à partir d’une

réaction chimique qui fait réagir l’hydrogène et l’oxygène pour produire de l’électricité, de

l’eau et de la chaleur, selon la réaction chimique suivante :

2H2 + O2 → 2H2O + électricité + chaleur (3.9)


37

5.2. Types des piles à combustible :

Parmi des nombreux types d’une pile à combustible, le tableau (3.2) montre les types

les plus connus dont :

Tableau (3.2) : Données techniques actuelles sur les différents types de la pile à

combustible

5.3. Les avantages :

Très bon rendements énergétiques.

Presque aucune pollution.

Extrêmement silencieuses.

Fonctionnement à basse température, donc pratique pour circulation en

ville, dans les embouteillages.

5.4. Les inconvénients :

Le coût global.

La fiabilité du système.

La logistique de production du carburant.

Paramètres PEMFC SOFC DMFC

Proton Exchange

Membrane Fuel Cell

Solid Oxide Fuel Cell Direct Méthanol Fuel

Cell

Pression 2 – 5 Bar 1 Bar

-----

Température 60 – 90 °C 800 – 1000 °C 90 – 120 °C

Rendement 30 – 50 % 50 – 70 % 20 – 30 %

Combustible Hydrogène pure ou

reformé

Gaz naturel direct Méthanol

Application

Transports portables

stationnaires

Transports

stationnaires

Applications mobile

transports


38

6. Exemples mondial du système à Hydrogène :

Tableau (3.3) : Représentation de production d’Hydrogène dans le monde.

Conclusion :

Aujourd’hui, la production d’Hydrogène a pris une tendance vivante et pure grâce

aux énergies renouvelables, qui sont réservées une importante stature mondiale. L’énergie

solaire est une des dotations gratuites nécessaire pour générer l’électricité qui peut produire

l’Hydrogène solaire.

Pays Champ

de PV Électrolyseur

Pile à

combustible

Compresseur

de H2

Allemagne

1993

4

(43kwc)

Alcalin

(26kwc)

PEM

(6kw) 120bars

Italie

Allemagne

Norvège

1997

(5.6kwc) Alcalin

(5kwc)

PEM

(3kw) 200brs

Chapitre IV

Expérimentations

ET SIMULATIONS

Chapitre 4 Expérimentations et simulations

39

Introduction :

Nous avons effectué les travaux d’expérimentations au laboratoire de recherche de

génie électrique, avec un prototype de production d’Hydrogène qui est constitué de

regroupement de deux modules parallèle reliés à un système de conditionnement d’énergie

(solar Hydrogen extension), qui alimente un électrolyseur de type PEM pour produire

l’Hydrogène.

1. L’expérimentation :

1.1. Présentation des éléments du système :

Le système expérimenté est composé de différents éléments qui sont regroupés

ensemble pour constituer un prototype de production de l’Hydrogène, ces éléments sont :

Panneaux solaire.

Régulateur.

Convertisseur DC/AC.

Batteries.

Electrolyseur d’eau.

Bouteille de stockage d’Hydrogène.

1.2. Etude des performances du système en fonction des paramètres climatiques du

lieu d’installation :

La fabrication de l’Hydrogène est concernée par les performances des éléments

qui composent le système photovoltaïque pour évaluer ses capacités pour produire ce

vecteur énergétique, dont :

Rendement des modules en fonction des éclairements et températures.

Rendement des convertisseurs statiques.

Rendement d’électrolyseur.

1.3. Présentation du lieu d’installation :

Nos expériences sont faites dans le laboratoire de génie électrique qui est situé à

Ouargla, cette région est positionnée au sud-est de l’Algérie, elle a un climat sec et

désertique, une altitude de 141 mètres, une insolation de 7 à 10 heures par jour.

Nous avons fait les mesures de la température et l’éclairement de cette région

pendant la journée du (03/05/2017). Les courbes suivantes illustrent ces mesures :


40

0

20

40

60

Température ambiante.°C

température amb

2. Appareillage et composants du système :

Nous avons réalisé l’installation du système qui est composé des éléments principaux

dont les modules PV, les éléments de conditionnement, l’élément de stockage et l’élément

de production d’hydrogène. Ensuite, la caractérisation de chacun de ces éléments pour le

suivi du système suivant le schéma ci-après :

Figure (4.3) : Éléments du système

0

500

1000

L'éclairement de la région.w/m²

éclairement

Panneaux

PV

Régulateur Convertisseur

DC/AC

Bouteille

d’Hydrogène Électrolyseur

PEM

Batteries

Figure (4.1) : variation d’éclairement

en fonction du temps au cours d’une

journée.

fonction

du

temps

au

cours

d’une

journée

Figure (4.2) : variation de température en

fonction du temps au cours d’une

journée.

Fonction du temps au cours d’une journée.


41

3. Caractéristiques des panneaux photovoltaïques :

Nous avons réalisé un organigramme que nous avons exécuté sous MATLAB pour

tracer les caractéristiques des panneaux, suivant les valeurs de température et l’éclairement

du milieu. L’organigramme qui montre les étapes faites est illustré ci-dessus, figure (4.4).

.

Figure (4.4) : Organigramme de simulation des caractéristiques du module.

Lire les paramètres du module (Isc ; Vco ; Imax ; Vmax) pour

Éclairement E=1000 w/m² ; température T=25°C ; a ; k ; q ; ns ;

α ; β

Lire l’éclairement E et la température T

Calcul de Vt .eq (2.2) ; ∆I ; ∆V

Calcul de Icc.eq (2.8) ; Vco.eq(2.6) ;

Imax ; Vmax

Calculer I0 .eq(2.2)

Faire varier I de 0 à Icc

Calculer V.eq(2.4)

Tracer I=f(V)

Fin

Début


42

3.1. Courbes de la caractéristique du module PV :

Les courbes sont exprimées à partir de l’exécution de notre organigramme sous

MATLAB, voir les figures suivantes :

Courbe de la caractéristique I-V :

Figure (4.5) : Courbe montrant la trajectoire de la caractéristique I-V.

Courbe de la caractéristique P-V :

Figure (4.6) : Courbe montrant la trajectoire de la caractéristique P-V.

0 5 10 15 20 25 30 350

2

4

6

8

10

Tension (V)

Co

ura

nt (

A)

Caractéristique de module I-V

Vco

IccPmax

0 5 10 15 20 25 30 350

50

100

150

200

250caractéristique de module P-V

Tension (V)

Pu

issa

nce (

W)

Pmax


43

Influence de température sur la caractéristique I-V :

Figure (4.7) : Influence de température sur la caractéristique I-V du module.

Cette courbe illustre l’effet de la température sur la caractéristique du module, avec

une valeur d’éclairement constante E=1000 w/m².

Nous observons que la valeur du courant de court-circuit Icc est quasi constante par

rapport à la variation de température, au contraire, la valeur de la tension Vco est

proportionnelle de ce changement.

Influence de température sur la caractéristique P-V :

Figure (4.8) : Influence de température sur la caractéristique P-V du module.

Cette courbe montre que la tension du circuit ouvert est affectée par la température

d’une façon considérable, par contre, à partir des tensions [25V-40V], il y a un

déplacement des valeurs de puissance maximale.

0 5 10 15 20 25 30 35 400

50

100

150

200

250

300

Tension (V)

Pu

issa

nce (

W)

0 °C

25 °C

50 °C

75 °C

0 5 10 15 20 25 30 35 400

2

4

6

8

10

Tension (V)

Co

ura

nt (

A)

0°C

25 °C

50 °C

75 °C


44

0 5 10 15 20 25 30 350

2

4

6

8

10

Tension (V)

Co

ura

nt (

A)

1000 w/m²

800 w/m²

600 w/m²

400 w/m²

Influence d’éclairement sur la caractéristique I-V :

Figure (4.9) : Influence d’éclairement sur la caractéristique I-V du module.

La figure ci-dessus illustre une variation observable du courant Icc en fonction de

l’éclairement incident, contrairement, on observe que la tension du circuit ouvert est

presque constante.

Influence d’éclairement sur la caractéristique P-V :

Figure (4.10) : Effet d’éclairement sur la caractéristique P-V du module.

Cette figure expose l’impression de la puissance par la variation de l’éclairement

solaire, la tension Vco varie peu par rapport au changement d’éclairement.

3.2.Validation des paramètres du modèle utilisé :

Pour valider le modèle que nous avons établi pour caractériser notre module

photovoltaïque, nous avons effectué des expériences sur les modules PV dans le lieu

d’installation, le 15/05/2017, pour mesurer les valeurs de courant de court-circuit Icc et la

tension de circuit ouvert Vco en fonction de l’éclairement et la température du module.

0 5 10 15 20 25 30 350

50

100

150

200

250

Tension ( V)

Pu

issa

nce (

W)

1000 w/m²

800 w/m²

600 w/m²

400 w/m²


45

Le tableau suivant montre les paramètres du module mesurés et calculés :

Tableau (4.1) : Résultats des paramètres de module mesurés et calculés

Où : Erreur =𝐯𝐚𝐥𝐞𝐮𝐫 𝐦𝐞𝐬𝐮𝐫é𝐞 − 𝐯𝐚𝐥𝐞𝐮𝐫 𝐜𝐚𝐥𝐜𝐮𝐥é𝐞

𝐯𝐚𝐥𝐞𝐮𝐫 𝐦𝐞𝐬𝐮𝐫é𝐞 (4.1)

ErIcc=𝟔.𝟐𝟗−𝟔.𝟐𝟖

𝟔.𝟐𝟗 = 0.1%

ErVco= 𝟑𝟎.𝟗−𝟑𝟎.𝟖𝟕

𝟑𝟎.𝟗 =0.1%

3.3.Système de conditionnement (solar Hydrogen extension) :

Ce système est le contrôleur de l’installation, il contient les éléments de

conditionnement suivant :

Onduleur : c’est le convertisseur DC/AC qui assure la conversion de la puissance

continue à la puissance alternative afin d’alimenter l’électrolyseur.

Système de communication : qui assure la correspondance entre les composants

du système et le logiciel (Solar Hydrogen extension).

Système de protection : qui assure la prudence et la coupure en cas d’un problème,

d’un dépassement ou d’une régression au système.

Batterie : est la moyenne la plus certifiée pour le stockage en cas de

raccourcissement ou besoin au système. Voir (tableau (3) -annexes).

Régulateur de charge solaire : est l’élément central d’une installation solaire, il

contrôle la production des panneaux comme il détermine l’état de la charge.

Tous ces éléments sont regroupés dans une armoire du Solar Hydrogen Extension.

Paramèt

res

Temps

Vco

calc

Icc

calc

Vco

Mesuré

Icc

Mesuré E (w/m²)

Tamb

(C°)

ErIcc

(%)

ErVco

(%)

10 :13 30.87 6.28 30.9 6.29 716 46.66 0.1 0.1

10 :40 30.52 6.73 30.9 7.13 766 50.46 5.6 1.2

10 :58 30.43 7.24 30.9 7.48 825 51.31 3.2 1.5

11 :20 30.11 7.36 30.7 7.48 833 54.17 1.6 1.9


46

3.4.Système de production d’Hydrogène :

Electrolyseur :

Nous avons installé un électrolyseur de type PEM (protons exchange membrane) qui

est le générateur de production d’Hydrogène à partir de l’eau pur. Voir (tableau (2)-

annexes).

3.5. Système de stockage d’Hydrogène :

L’Hydrogène produit par notre système est stocké dans une bouteille de type métal

hybride. Voir (tableau (3)-annexes).

4. Expérimentation de système de production d’Hydrogène :

Nous avons expérimenté notre système pour un fonctionnement pendant une journée

(le 03/05/2017) pour un fonctionnement de 8 h à 17h sans arrêt.

Les paramètres précédents sont gérés par le logiciel qui est fourni avec le solar

Hydrogen extension qui a été fourni par la société Heliocentris, qui permet de mesurer les

paramètres du système dont :

La tension, le courant et la puissance du module.

La puissance d’entrée de l’électrolyseur.

Le débit d’Hydrogène.

Les courants, les tensions des convertisseurs.

La puissance et la tension de batterie.

Ce logiciel a nombreux fonctions pour l’acquisition des donnés dont :

La mesure des donnés.

L’enregistrement des paramètres exprimés.

L’affichage instantané des paramètres.

La figure (4.11) illustre l’interface du logiciel précédent :


47

1 : affichage ; 2 : Zone de contrôle ; 3 : menu ; 4 : barre de navigation.

Figure (4.11) : Interface du logiciel solar Hydrogen extension.

5. Résultats des expériences :

5.1. Résultats de la caractérisation des modules PV :

5.1.1. La puissance :

Pendant une journée de mesure (15/05/2017), nous avons obtenu les valeurs de la

puissance des modules. La courbe ci-dessous montre la trajectoire de cette puissance au

cours d’éclairement.

Figure (4.12) : Puissance du module et éclairement en fonction du temps.

8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

200

400

600

800

1000

Temps (h)

P mod

E

Eclairement

Puissance des modules

W/m²


48

On voit que la puissance des modules et l’éclairement sont proportionnels. Quand

l’éclairement augmente, la puissance le suit et vice versa.

5.1.2. Le rendement :

Le rendement est un facteur énergétique pour le suivi des performances des modules,

il est calculé comme suit :

ɳ = 𝐩𝐮𝐢𝐬𝐬𝐚𝐧𝐜𝐞 𝐝𝐞 𝐬𝐨𝐫𝐭𝐢𝐞 𝐝𝐞𝐬 𝐦𝐨𝐝𝐮𝐥𝐞𝐬

𝐩𝐮𝐢𝐬𝐬𝐚𝐧𝐜𝐞 𝐝′𝐢𝐫𝐫𝐚𝐝𝐢𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧 𝐬𝐨𝐥𝐚𝐢𝐫𝐞 =

𝐔 𝐃𝐂 𝐒𝐨𝐥𝐚𝐫 ∗𝐈 𝐃𝐂 𝐒𝐨𝐥𝐚𝐫

𝐏 𝐒𝐨𝐥𝐚𝐫 𝐑𝐚𝐝𝐢𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧 (4.2)

La figure (4.13) illustre cette relation :

Figure (4.13) : Rendements des modules photovoltaïques en fonction du temps.

D’après la courbe précédente, on remarque que le rendement des modules (<12%) est

toujours inférieur à celui de la valeur donnée par le constructeur (13%).

5.2. Résultats obtenus de batterie :

5.2.1. La puissance :

Figure (4.14) : Évolution de la puissance fournie des batteries en fonction du temps.

La figure précédente expose l’oscillation de la puissance selon les besoins de la

charge, tel que l’état du ciel et la disponibilité de puissance.

8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

50

100

150

200

250

300

350

Temps (h)

Pu

issa

nce (

W)

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

Rendement des modules


49

8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

50

100

150

200

250

300

350La puissance entre l'électrolyseur

Temps

pu

issa

nce (

W)

puissance d'entrre

puissance de sortie

puissance out

puissance in

5.3. Electrolyseur :

5.3.1. Calcul de la puissance de sortie :

Pout =𝑸∗𝑬∗𝟏𝟎𝟎𝟎

𝟑𝟔𝟎𝟎 (4.3)

Q : débit d'hydrogène(l/h).

E =10.8 : pouvoir calorifique inferieur d’hydrogène (Mj/m3)

s

Figure (4.15) : Comparaison entre la puissance d’entrée et la puissance de sortie

d’électrolyseur.

Nous observons que la puissance d’entrée est toujours supérieure à celle de la

puissance de sortie, parce qu'il y'a des pertes de puissances au niveau de l’électrolyseur.

5.3.2. Le rendement :

Figure (4.16) : Rendement d’électrolyseur en fonction du temps.

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

Rendement de l'électrolyseur (%)


50

8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

50

100

150

200

250

300

Temps(h)

vo

lum

e (

l)

D’après cette figure, on remarque que le rendement de l’électrolyseur est constant à

partir de 10 h du matin, par ce que le système est régulé à cause de la compensation de

batterie.

ɳ = 𝐩𝐮𝐢𝐬𝐬𝐚𝐧𝐜𝐞𝐝𝐞𝐬𝐨𝐫𝐭𝐢𝐞𝐝′é𝐥𝐞𝐜𝐭𝐫𝐨𝐥𝐲𝐬𝐞𝐮𝐫

𝐩𝐮𝐢𝐬𝐬𝐚𝐧𝐜𝐞𝐝′𝐞𝐧𝐭𝐫é𝐞𝐝′é𝐥𝐞𝐜𝐭𝐫𝐨𝐥𝐲𝐬𝐞𝐮𝐫 (4.4)

5.4.Production d’hydrogène :

A. Débit d’Hydrogène :

Figure (4.17) : Débit d’Hydrogène en fonction du temps.

On remarque que le débit d’Hydrogène pendant une journée de mesure est localisé

entre 40 et 25 l/h.

B. Volume d’Hydrogène :

Nous avons réalisé un petit programme sous MATLAB pour calculer le volume total

de l’Hydrogène. Voire figure (4.18).

Figure (4.18) : Volume d’hydrogène produit pendant une journée.

Pour un fonctionnement pendant une journée de 8h à 17 h, la quantité d’Hydrogène

produite est 298 L.

0

10

20

30

40

50

Débit d'hydrogène (l/h )


51

5.5.Bilan énergétique :

L’organigramme suivant représente les performances du système durant le

fonctionnement à 10 h du matin (heure locale).

Figure (4.19) : Diagramme des rendements des différents éléments du système à 10h.

6. Améliorations des performances du système :

Afin d’augmenter la quantité d’Hydrogène produite par le système, nous proposons

les améliorations suivantes au niveau du dernier :

Pour les modules photovoltaïques :

Nous avons réalisé un organigramme sous MATLAB pour le calcul de la puissance

maximale des modules. Avec les éclairements et températures considérés de notre

expérience, nous avons comparé cette puissance avec celle de la puissance des modules.

Nous avons reçu les courbes qui suivent :

Figure (4.20). La puissance à l’entrée du système et la puissance maximale des

modules

panneaux solaire

ɳ=11.03%

convertisseur DC/DC ɳ=98%

Batterie

Sortie DC de systéme

convertisseur

DC/AC ɳ=73.38

%

éléctrolyseur

ɳ=39.39%

stockage de H2

8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

100

200

300

400

500

600

Temps

Pu

issa

nce (

W)

P max

P module

puissance de module

puissance maximale


52

050

100150200250300350400450

P.DC/AC(in) P.cell.electrolyseur

On a observé que les puissances maximales calculées sont toujours supérieures à la

puissance à l’entrée du système. Pour cela, nous proposons l’installation d’un système de

poursuite de point de puissance maximale (MPPT) à l’entrée du système.

Pour le système de conditionnement d’énergie électrique de sortie DC :

Le convertisseur DC/DC est toujours alimenté, ce qui cause des pertes

supplémentaires au niveau du système. Voir figure (4.21).

Figure (4.21) : Puissance perdue dans le système de conditionnement de sortie DC

Nous proposons un système de coupure pour l’interruption de cette partie suivant le

besoin.

Pour l’électrolyseur :

Figure (4.22) : Comparaison entre la puissance d’entrée d’onduleur et la puissance

aux bornes des cellules d’électrolyseur.

15,315,415,515,615,715,815,9

1616,116,2

08

:00

08

:30

09

:00

09

:30

10

:00

10

:30

11

:00

11

:30

12

:00

12

:30

13

:00

13

:30

14

:00

14

:30

15

:00

15

:30

16

:00

16

:30

17

:00

Puissance perdue en (W)


53

On remarque que la puissance d’entrée de l’onduleur est fortement supérieure à la

puissance aux bornes des cellules d’électrolyseur, car Le passage de la puissance en

continu des modules et des batteries vers la puissance en alternative à la sortie de

l’onduleur ensuite en continu aux bornes des cellules d’électrolyseur cause des pertes.

Donc, on propose une alimentation directe en courant continu de l’électrolyseur et

cela pour améliorer et augmenter le volume d’Hydrogène produit par l’électrolyseur.

Conclusion :

D’après la réalisation des expériences au niveau du laboratoire, pour différentes

journées et d’après l’acquisition des résultats concernant notre système, nous avons

remarqué diverses notes :

Premièrement, que le rendement des modules est borné de 6 à 11%, le rendement

d’électrolyseur est limité entre 20 et 40%.

Finalement, que la quantité d’Hydrogène maximale produite est de 298 L. Ça

n’empêche plus que le système nécessite des améliorations pour l’optimiser afin

d’augmenter le volume d’Hydrogène produit dont :

L’installation d’un système de régulation de MPPT (Maximum Power Point

Tracker) qui permet l’extraction vers le système de la puissance maximale des modules à

chaque instant pendant le temps de fonctionnement.

l’alimentation directe d’électrolyseur en courant continu des modules et des

batteries.

Conclusion

Générale

Conclusion générale

55

Conclusion générale

Le présent mémoire concerne la production d’Hydrogène par la voie d’un système

photovoltaïque alimentant un électrolyseur de type PEM (proton exchange membrane).

L’objectif de notre travail est l’étude expérimentale d’un système photovoltaïque en

perspective de produire le maximum de l’hydrogène par électrolyse de l’eau, la production

d’énergie électrique est réalisé par les panneaux photovoltaïques, qui sont installés à

Ouargla.

Nous avons étudié et ensuite expérimenté les performances d’un prototype de

production d’hydrogène qui est constitué des modules photovoltaïques, d’un système de

conditionnement puis un électrolyseur de production d’Hydrogène, finalement, un système

de stockage. Nous avons remarqué quelques points concernant notre système :

La puissance fournie par les modules PV est inférieure à la puissance maximale à

chaque instant durant le temps de fonctionnement de système.

La puissance du système de sortie DC/DC est non utilisé.

Une puissance perdue au passage de l’onduleur vers électrolyseur.

Pour ce là, on propose des optimisations qui peuvent surélever les performances de

système, comme suit :

L’ajout d’un système de régulation du MPPT qui permet l’extraction vers le

système de la puissance maximale des modules à chaque instant pendant le temps

de fonctionnement.

L’alimentation directe de l’électrolyseur par la puissance continue des modules et

des batteries.

L’installation d’un système de coupure pour la conserve de la puissance non utilise

au niveau de sortie DC/DC 12 V, selon le besoin énergétique.

On note que la production d’Hydrogène d’une façon maximale et inépuisable par

l’intermédiaire des systèmes photovoltaïques et va prendre le monde à une nouvelle

orientation au cours de la technologie actuelle.

Comme perspectives, Cette installation pourra être améliorée dans l’avenir par l’ajout

d’autres composants, comme la pile à combustible et d’autres éléments de contrôle et de

gestion d’énergie.

Bibliographie

Bibliographie

[1] : station de la Météo d’Ouargla. « ONM ».

[2] : Amardjia, H. Adnani, « Algérie, énergie solaire et Hydrogène », office des

publications universitaire

[3] : M. Capderou, « Atlas solaire de l’Algérie », Office des publications universitaire

Tome 1’ Tome 2, Algérie 1986.

[4] : M. Lakhdar Louazen, « Contribution à l’optimisation des systèmes photovoltaïques

utilisés pour l’irrigation dans les zones sahariennes – Application zone de Ouargla », Thèse

de Doctorat en Sciences. 2015

[5] : Olivier PERROT, « COURS DE RAYONNEMENT, 3 ème Semestre », I.U.T. de

Saint-Omer Dunkerque Département Génie Thermique et énergie.

[6] : A. Djafour, « Étude d'un système de production d'hydrogène solaire », Thèse de

doctorat, université de Ouargla, 2013.

[7] : https://fr.wikipedia.org/wiki

[8] : A. Labouret, M. Villoz, « énergie solaire photovoltaïque ». Dunod. 4 ème édition.

[9] : livre : les énergies renouvelables état des lieux et perspectives ‘claude acket ‘jacques

vaillant ‘ éditions TECHNIP Mars 2011 P 91,92

[10] : Djamel Mennouche, « VALORISATION DES PRODUITS AGRO-

ALIMENTAIRESET DES PLANTES MEDICINALES PAR LES PROCEDESDE

SECHAGE SOLAIRE » Présenté pour l'obtention du diplôme deMAGISTER.2006.

[11] : BENKHELIFA Abdelaziz, « Modélisation et expérimentation d’un capteur solaire

plan à eau Influence de l’intensité de l’éclairement solaire et de l’inclinaison du capteur

solaire sur le rendement du capteur », Présenté pour l’obtention du diplôme

deMASTER.2012.

[12] : Gherib Lazhar, « Étude et calcul des capteurs solaires plans "Application au chauffe-

eau" », MASTER Académique.2015.

[13] : Helali Kamelia, « Modélisation d’une cellule photovoltaïque : Étude comparative »,

Mémoire de Magister en Electrotechnique.2012.

[14] : Gisement solaire.

[15] : CHIBA YOUNES, « ETUDE DE L'UTILISATION D'UN BASSIN

D'EAUCOMME CAPTEUR SOLAIRE », Présenté pour l'obtention du diplôme

deMAGISTER.2005.

[16] : M. Lakhdar Louazen, « Étude technico-économique d'un système de pompage

photovoltaïque sur le site de Ouargla », Pour obtenir du Magister.2008.

https://fr.wikipedia.org/wiki

58

[17] : « M. koussa, A. Malek et M. Haddadi ’’Apport énergétique de la poursuite solaire

sur deux axes par rapport aux systèmes fixes. Application aux capteurs plans’’ Revue des

Energies Renouvelables Vol. 10 N°4(2007) 515-537 » et « M.M. Kassaby, ‘’Monthly and

daily optimum tilt angle for south facing solar collectors, theoretical model, experimental

and empirical correlations’’, Solar and Wind Technology, Vol. 5, N°6, pp. 589 –596,

1988. » Inclinaison des capteurs plans

[18] : https://fr.consoneo beta.com

[19] : livre : les énergies renouvelables état des lieux et perspectives ‘Claude acket ‘jacques

vaillant ‘ éditions TECHNIP Mars 2011 P 91,92

[20] : Elsy Mansour, « Modélisation des panneaux photovoltaïques sur compact rio »,

université libanaise, 2012.

[21] : Hanano. F, Rouabah. A, « Modélisation et simulation d’un système

photovoltaïque », MASTER ACADEMIQUE. Université Kasdi Merbah. 2014.

[22] : Société française de chimie : L’actualité chimique, l’hydrogène, carburant de demain

n°12, décembre 2001.

[23] : thèse, « validation de la modélisation proposée d’un électrolyseur PEM », chapitre 4

[24] : Valérie DE DIANOUS, Sylvaine, PIQUE, Benno WEINBERGER, « Etude

comparative des réglementations, guides et normes concernant les électrolyseurs et le

stockage d’hydrogène », RAPPORT D’ETUDE 15/03/2016.

[25] : DJAFOUR. A, AIDA. M. S et AZOUI. B, Etude d'un système photovoltaïque de

production d'énergie à base d'hydrogène vert, AST ; Vol. 7, N°2, Octobre 2015.

[26] : Julien Labbé, « L'Hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d'électricité

pour systèmes photovoltaïques isolés », Thèse de Doctorat en énergétique, 2006.Collège

doctoral, Mines Paris

[27] : K. Bouziane, « Étude d’une installation photovoltaïque de production d’Hydrogène

par électrolyseur de l’eau », Mémoire de Magister, 2011, Université Kasdi Merbah.

[28] : CHRISTOPHE DARRAS, « Modélisation de systèmes hybrides Photovoltaïque /

Hydrogène : Applications site isolé, micro-réseau, et connexion au réseau électrique dans

le cadre du projet PEPITE (ANR PAN-H) », Thèse de Doctorat en Énergétique et Génie

des Procédés, Université de Corse-Pascal Paoli, 2011

59

Annexes

Annexes

59

1. Caractéristiques des composants :

Le système est fonctionné par des composants nécessaires pour la production

d’Hydrogène, les tableaux suivants vont donner les caractéristiques de ces composants.

1.1. L’électrolyseur de l’eau de type PEM :

Le tableau (1) montre les caractéristiques de l’électrolyseur utilisé dans le laboratoire

de recherche de génie électrique :

Tableau (1) : Les caractéristiques de démarche de l’électrolyseur.

1.2. Module de stockage d’hydrogène :

L’Hydrogène nécessite un moyen de stockage avantageux, donc, les bouteilles de

métal hybride sont les plus utiles. Ses caractéristiques sont présentées par le tableau (2).

1.3. Batteries :

2. Tableau (2) : Caractéristiques des bouteilles du métal hybride.

Le stockage

Électrolyseur HG60

Type PEM

Débit 60 SL/h

Qualité d’Hydrogène 99,999%

Dimensions L x l x h 230*355*410mm

Pression de sortie 1.4 - 10.7 bars

Température de fonctionnement 15°C – 40°C

Tension 240V AC

Consommation 480VA max

Bouteilles du métal hybride

Pureté d’hydrogène 99.999%

Capacité de stockage 760 Sl

Pression de charge 10 - 14 bars

Annexes

60

d’électricité en cas de la coupure ou des déficits en puissance nécessite des batteries, le

tableau suivant donne les caractéristiques de ces derniers :

Tableau (3) : présentation des caractéristiques de la batterie

Batterie solaire en acide

Capacité 55Ah

Tension 12V

Dimensions: 13.8cm*21cm*22.8cm

Température 20°C

Résumé

الملخص

Résumé

é

شعاع بر االعطريقة الفوطوفولطائية الإلى إنتاج الهيدروجين ب مذكرةيهدف العمل المقدم في هذه ال

غذية تل في الشمسي، التي تستقبل من طرف االلواح الشمسية منتجة بذلك طاقة كهربائية، التي تستغ

ن وكسجيأفصل الماء الى المحلل الكهربائي بالغشاء المغير للبروتونات. يقوم هذا االخير الى

وهيدروجين. وفي األخير يخزن الهيدروجين في قارورات من نوع المعدن الهجين.

: الكلمات المفتاحية

هجين.الهيدروجين،الفوطوفولطائي،محلل كهربائي،اشعاع شمسي،ألواح شمسية،المعدن ال

Le travail présenté dans ce mémoire a pour objectif de la production

d’Hydrogène par voie photovoltaïque, à travers les rayonnements

solaires qui se reçoit par les panneaux solaires. Ces derniers résultent de

l’énergie électrique qui l’exploiter de l’alimentation d’un électrolyseur à

membrane échangeuse de protons, qui fait de la séparation d’eau en

Oxygène et Hydrogène. Finalement le stocker dans des bouteilles de type

métal hybride.

Mots Clés :

Hydrogène ,photovoltaïque, rayonnements solaires, panneaux solaires,

électrolyseur (PEM) , métal hybride.

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