photovoltaïque appliquée à un site agricole saharien

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

Faculté des Sciences et des Sciences Appliquées

Département de Génie mécanique

Projet de Fin d’Etude Master

Présenté pour obtenir le diplôme de Master

Filière : Génie mécanique

OPTION : Energétique

Thème

Réaliser par :

Tarek TAS

Mohammed SELLAM

Devant le jury composé de :

Promotrice : Mme

. BAGHDADI.F Université de Bouira

Examinateurs :

Mr : MERZOUK .M Université de Bouira

Mr : AHMANACHE .A Université de Bouira

Analyse d’une installation de pompage

photovoltaïque appliquée à un site agricole

saharien

Remerciement En premier lieu, nous remercions avant tous le Dieu de

nous avoir donné le courage, la patience et la volonté pour

achever ce modeste travail.

Nous adressons nos remerciements à tous ceux, qui de près

ou de loin, qui ont contribué et participé à réaliser ce

mémoire.

Tarek TAS

Mohammed SELLAM

Dédicace Grace Allah....

Je dédie ce laborieux et modeste travail à mes chers

parents à mes frères et à toute la famille.

A tous mes amis de promotion 2 année master génie

mécanique Spécialité : ENERGETIQUE.

A toutes les personnes qui de près ou de loin pour la

réalisation de ce travail.

Tarek TAS

Dédicace Je dédie ce projet de fin d’étude :

A ce qu’est toujours mon meilleur exemple dans la vie :

Mon père pour les sacrifices, qu’il a consentis pour mon

Avenir et pour son soutien moral qu’il n’a ceci d’offrir, et

Pour ses encouragements continus.

A mes très chers parents

A mes sœurs et à leurs enfants

A mes frères et à leurs enfants

A toute ma famille

A tous mes amis : Tarek, Mohammed,

Adel Chanan, Sid Ali (h), Ahmad et smail. Pour les

Moments que Nous avons passé ensembles.

A tous ceux que j’aime.

Sellam mohammed

Sommaire

SOMMAIRE

Introduction générale

Introduction générale……………………………………………………………………….22

CHAPITRE I L’ENERGIE SOLAIRE

I-1 Introduction……………………………………………………………………………..25

I-2 Mouvement de la terre-soleil…………………………………………………………..25

I-3 Notions d’astronomie…………………………………………………………………...27

І-3-1 Repère des coordonnées géographiques terrestres………………………………..27

І-3-2 Les coordonnées équatoriales……………………………………………………….27

І-4 Repère des coordonnées horizontales (azimutales)………………………………….29

І-4-1 La hauteur du soleil (h)……………………………………………………………..29

І-4-2 L’azimute(a)…………………………………………………………………………30

І-5 Angle d’incidence sur un plan quelconque…………………………………………..30

І-5-2 Son azimut……………………………………………………………………………30

I-6 Caractéristique du rayonnement solaire……………………………………………..31

I-6-1 Généralité……………………………………………………………………………..31

І-6-2 Nature du rayonnement solaire……………………………………………….…….32

I-6-3 Le rayonnement solaire extraterrestre ou hors atmosphère…………….………..33

I-6-4 Absorption de rayonnement solaire ………………………………………….…….33

I-6-5 Distribution du rayonnement solaire par l’atmosphère…………………………..34

I-7 Durée d’insolation………………………………………………………………………36

I-8 Irradiation solaire……………………………………………………………………...36

I-9 Appareils de mesures du rayonnement solaire………………………………………36

I-9-1 L’héliographe de Campbell-Stockes ……………………………………………….36

I-9-2 Le Pyromètre…………………………………………………………………………37

I-9-3 Le Pyrhéliométre…………………………………………………………………….37

I-9-4 Le Spectroradiométre ……………………………………………………………….37

SOMMAIRE

I-9-5 L’Albedométre………………………………………………………………….….37

I-10 Gisement solaire……………………………………………………………………37

I-10-1 Gisement solaire mondial………………………………………………………..37

I-10-2 Potentiel solaire en Algérie………………………………………………………38

I-11 Conclusion…………………………………………………………………………..39

CHAPITRE II ANALYSE DES SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUE

II-1 Introduction……………………………………………………………………….…41

II-2 Le générateur photovoltaïque GPV…………………………………………….….41

II-2-1 Historique……………………………………………………………………….…41

II-3 Définition d’une cellule solaire PV ou l’effet photovoltaïque……………….…..42

II-4 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque……………………....42

II-5 Type des systèmes photovoltaïques…………………………………………….….43

II-5-1 Systèmes hybrides…………………………………………………………….…..44

II-5-2 Systèmes connectés au réseau…………………………………………………...44

II-5-3 Système photovoltaïque de pompage d’eau ( Système autonome)………….…45

II-6 Les différents types de module photovoltaïque (cellules PV)…………………....46

II-6-1 Le module au silicium monocristallin…………………………………….….46

II-6-2 Le module au silicium poly cristallines………………………………………47

II-6-3 Le module au silicium amorphe…………………………………………….…47

II-7 Le module photovoltaïque……………………………………………….……...….48

II-7-1 Association en série……………………………………………………….………48

II-7-2 Association en parallèles………………………………………………….………48

II-8 Paramètres électriques d’un module photovoltaïque…………………………….49

II-8-1 Courant de court-circuit (Icc)……………………………………………….…49

II-8-2 Tension de circuit ouvert (Uco)…………………………………………….….49

II-8-3 La puissance de crête…………………………………………………………..49

SOMMAIRE

II-8-4 Facteur de forme FF………………………………………………………….49

II-8-5 Efficacité ou rendement ŋ………………………………………………….....49

ІI-9 Caractéristique courant-tension…………………………………………………..50

ІI-10 Puissance et facteur de forme……………………………………………………51

ІI-10-1 Le facteur de forme …………………………………………………………….52

ІI-10-2 Rendement énergétique………………………………………………………..52

II-11 Effet de l’éclairement ……………………………………………………………53

II-12 Influence de la température……………………………………………………....54

II-13 Les types de pose des panneaux photovoltaïques………………………………55

II-13-1 Panneaux photovoltaïques sur toit incliné…………………………………...55

II-13-2 Panneaux photovoltaïques sur toit plat…………………………………….....55

II-13-3 Panneaux photovoltaïques sol sur structure………………………………….56

II-13-4 Panneaux photovoltaïques sur suiveur solaire (ou tracker solaire)....……...56

II-13-5 Panneaux photovoltaïques sur façade……………………………………...…57

II-14 Orientation et inclinaison des modules…………………………………………..58

II-15 Les avantages et inconvénients de l'énergie photovoltaïque………………...…59

II-14-1 Les avantages du photovoltaïque………………………………………………59

II-14-2 Les inconvénients du photovoltaïque………………………………….…….....59

II-16 Conclusion…………………………………………………………………………...59

Chapitre II Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque

III-1 Introduction…………………………………………………………………………61

III-2 Généralité……………………………………………………………………………61

III-3 Principe de fonctionnement………………………………………………………...62

III-4 Constitutions d’un système de pompage PV……………………………………....63

III-4-1 Générateur photovoltaïque ………………………………………………..64

III-4-2 Le groupe électropompe………………………………………………………......65

SOMMAIRE

III-4-2-1 Les pompes…………………………………………………………………….65

III-4-2-2 Les types de pompes………………………………………………………….66

III-4-2-3 Classification selon la position de pompe…………………………………..69

III-4-2-2 Les moteurs électriques……………………………………………………...70

III-4-3 L’électronique de commande et de contrôle…………………………………72

III-4-4-1 L’onduleur ………………………………………………….……………72

III-4-4-2 La batterie…………………………………………………….…................ 73

III-4-4-3 Le régulateur de charge……………………………………………………..73

III-4-4 La partie stockage…………………………………………………………...…74

III-5 Les techniques de pompages PV…………………………………………………...74

III-5-1 Pompage « au fil du soleil (sans batterie) »………………………………….74

III-5-2 Pompage avec batteries………………………………………………………..75

III-6 Conclusion…………………………………………………………………………...76

CHAPITRE VI Installation d’un system PV Appliquée sur le site agricole

IV-1 Introduction…………………………………………………………………………78

IV -2 Dimensionnement complet de l’installation PV………………………………….78

IV-2-1 Estimation des besoins en eau…………………………………………………....78

IV-2-3 Détermination de l’énergie solaire disponible…………………………………..79

IV-2-4 Choix de composante……………………………………………………………...79

IV-2-4-1 Choix de réservoir d’eau……………………………………………………..79

IV-2-4-2 Choix de la pompe…………………………………………………………..79

IV-2-4-3 Choix Taille du générateur PV…………………………………………...82

IV-2-4-4 Choix Le convertisseur DC/AC (onduleur)……………………………...84

IV-3 Simulation par PVsyst……………………………………………………………….84

IV-3-1 Présentation de PVsyst…………………………………………………………….84

IV-3-2 La conception préliminaire ……………………………………………………….85

SOMMAIRE

IV-3-3 Conception du projet……………………………………………………………85

IV-3-4 Présentation de projet…………………………………………………………...86

IV-3-5 Données géographique de site…………………………………………………..86

IV-3-6 Coordonnée géographique……………………………………………………...87

IV-3-7 Données météorologiques……………………………………………………….87

IV-3-8 Conception de projet…………………………………………………………….88

IV-3-9 Les étapes de conception d’un système de pompage photovoltaïque………..89

A-1 Définition d'un profil de l'horizon………………………..……………….89

A-2 Orientation des modules PV…………………………………………………89

A-3 La définition des besoins de l'utilisateur……………………………………90

A-3-1 Circuit hydraulique de pompage………………………………………….90

A-3-2 Détermination de la puissance hydraulique ……………………………..92

A-4 Choix de la pompe……………………………………………………..……....93

A-5 Choix Le convertisseur (onduleur)…………………………………………...95

A-6 Taille du générateur PV………………………………………………………96

A-6-1 Le type de module PV pour l’application similaire…………………....96

A-6-2Nombres de modules…………………………………………………...…..98

A-6-3 Nombre de modules en série…………………………………………….. 98

A-6-4 Nombre de modules en parallèle………………………………………...99

IV -4 Evolution de la puissance en fonction de la tension……………………………..99

IV-5 Influence de l’éclairement sur les caractéristiques externes du

module……………………………………………………………………………………100

IV-6 Influence de rayonnement globale incident sur efficacité par des températures

déférentes. ………………...……………………...……………………………………...100

IV-7 L’exécution de la simulation…………………………………………………….101

IV-8 Maintenance et instruments de mesure …………………………...…….……..108

IV-9 Conclusion…………………………………………………………………………110

SOMMAIRE

CONCLUSION GENERALE

Conclusion Générale……………………………………………………………….…...113

Résume

RESUME

En raison de la détérioration des prix du pétrole, il est devenu nécessaire de rechercher des

sources alternatives. L'énergie solaire est l'une des sources alternatives les plus importantes et

présente de nombreux avantages et peut être utilisée dans divers domaines tels que

l’agriculture.

La situation géographique de l'Algérie favorise le développement des usages de l'énergie

solaire en raison de l'intensité et de la durée du rayonnement solaire.

Grâce à ces caractéristiques, notre pays est en mesure de couvrir ses besoins énergétiques

en développant le domaine des systèmes photovoltaïques, notamment les systèmes de

pompage d'eau.

Ce mémoire vise à concevoir calculer un système de pompage d'eau fonctionnant avec un

système photovoltaïque et répondant aux besoins de la région agricole de Tamanrasset.

Mots clés : L'énergie solaire, système photovoltaïque, systèmes de pompage d’eau,

rayonnement solaire, agricole.

ملخص :

المصادر اهم من الشمسٌة الطاقة تعتبر, بدٌلة مصادر عن البحث لضروريا من اصبح, البترول اسعار لتدهور نضرا

.كالزراعة مختلفة مجاالت فً استعمالها ٌمكن و كثٌرة ممٌزات لها و البدٌلة

.الشمسً االشعاع ومدة لكثافة نظرا الشمسٌة الطاقة استعماالت تطوٌر ٌعزز للجزائر الجغرافً الموقع ان كما

انضمة وخاصة الكهروضوئٌة األنظمة مجال بتطوٌر وذلك الطاقوٌة احتٌاجاتها تغطٌة بلدنا تستطٌع, الخاصٌات هذه بفضل

.المٌاه ضخ

الزراعٌة المنطقة لحاجٌات وٌستجٌب كهروضوئً بنظام ٌعمل مائً ضخ نظام وحساب تصمٌم الى المذكرة هذه تهدف

.بتمنراست

. الزراعة ، الشمسً اإلشعاع ، المٌاه ضخ أنظمة ، الكهروضوئً النظام ، الشمسٌة الطاقة : المفتاحية الكلمات

Abstract

Due to the deterioration of oil prices, it has become necessary to look for alternative

sources. Solar energy is one of the most important alternative sources and has many

advantages and can be used in various fields such as agriculture.

The geographical location of Algeria favors the development of the uses of solar energy

because of the intensity and duration of solar radiation.

Thanks to these characteristics, our country is able to cover its energy needs by developing

the field of photovoltaic systems, in particular water pumping systems.

This note aims to design and calculate a water pumping system operating with a

photovoltaic system and meeting the needs of the agricultural region of Tamanrasset.

Keywords: Solar energy, photovoltaic system, water pumping systems, solar radiation,

agriculture.

Liste des tableaux

Liste des tableaux

Tableau (IV-1): Données géographique de site Tamanrasset……………………………86

Liste des Symboles

Liste des Symboles – Abréviations

Indice Mot clé Unité

Photovoltaïque /

Générateur photovoltaïque /

Le maximum du point de puissance /

Latitude /

Longitude /

La déclinaison /

Le numéro d’ordre du jour de l’année /

L’angle horaire /

Temps Solaire Vrais /

Temps universel /

Temps solaire moyen /

Le temps légal /

E Décalage de faiseur horaire /

E Décalage horaire par rapport au méridien de Greenwich /

Hauteur [m]

L’azimute /

Angle d’incidence sur un plan quelconque /

Angle d’inclinaison des modules photovoltaïques /

L’énergie élémentaire /

La constante de Planck /

La vitesse de la lumière [m/s]

La longueur d’onde [μm]

CC Courant électrique continu [A]

P Dopé au bore [v]

N Dopée au phosphore /

Tension de circuit ouvert /

Courant de court-circuit [A]

FF Facteur de forme /

Point de puissance maximale [W]

Efficacité ou rendement /

Tension imposé à la diode [V]

Constante de Boltzmann /

Charge de l’électron /

Température [K]

Courant de saturation de la diode /

La photo courant /

Puissance nominale [w]

L’éclairement [w/m²]

S Surface de la cellule ou du module [m²]

Température [K]

Le courant électrique [A]

Le courant du générateur photovoltaïque /

La tension du générateur photovoltaïque /

Les nombres des modules en parallèle /

Les nombres des modules en série /

Hauteur manométrique total

DC Direct Current /

AC Courant Alternatif /

V Tension [V]

L’énergie hydraulique nécessaire [w]

Energie hydraulique de la pompe [pa]

Le débit [ ]

Débit volumique [ ]

Hauteur géométrique

Pertes de charge produites par le frottement de l’eau sur les parois des conduites

Niveau statique [m]

Niveau dynamique [m]

Débit horaire [ ]

Le nombre d’heures d’ensoleillement maximal d’utilisation journalier [h]

Le volume d’eau besoin

Diamètre

La puissance électrique d’entrée [w]

Le rendement de l’onduleur /

Puissance nominale générateur PV [Wc]

Energie journalier consommée par l’installation [Wc]

Irradiation journalier moyenne du mois [kwh/m²*jr]

Coefficient correcteur /

Le nombre total de modules /

Puissance nominale de PV [w]

Puissance du champ [w]

La tension nominale de la charge (l’onduleur) [A]

La tension nominale du module [A]

Nombre de modules en parallèle /

Nombre de modules en série /


A cause de l’augmentation brutale du prix du pétrole, l’Algérie n’était pas s’intéresser à

l’autre énergie renouvelable, avec une superficie de 2.381.741 km², elle offre des potentialités

intéressantes, notre pays dispose d’un potentiel énergétique solaire très élevé. Pour investir

dans de nombreux projets et de programmes qui contribuent au développement des énergies

renouvelables, principalement l’énergie solaire.

Aujourd’hui l’énergie électrique est très demandé dans notre vie, nos besoins et devient

essentielle pour les sites agricole isolés (région saharienne, région montagneuse), l’énergie

solaire photovoltaïque constitue la solution la plus avantageuse.

L’utilisation photovoltaïque de l’énergie solaire consiste à convertir directement le

rayonnement lumineux en électricité sous forme courant continu, grâce à l’onduleur qui

permet de convertir le courant continu à courant alternatif utilisable pour l’alimentation du

pompage photovoltaïque. Pour cette raison, l’étude présentée est rédigée en principaux

chapitre qui se résument comme suit :

Dans le premier chapitre on va définir quelques notions sur le gisement solaire comme la

géométrie solaires, les données astronomiques, le rayonnement global et le spectre solaire,

pour déterminer la position du soleil, la quantité effective de la densité du flux solaire incident

dans la région désertique et définir Appareils de mesures du rayonnement solaire qui permet

d’assure la mesure du rayonnement global, Rayonnement diffus Rayonnement direct et

Rayonnement réfléchi.

Le deuxième chapitre on va présenter une étude générale sur le système d’énergie

solaire photovoltaïque (GPV) avec leurs caractéristiques électrique de base et leurs

fonctionnement ainsi que les effets de l'éclairement et de la température, Type des systèmes

photovoltaïques et Les différents types de module photovoltaïque.

Le troisième chapitre on va présenter une étude générale sur le système pompage

photovoltaïque autonome avec leurs fonctionnements et les différentes méthodes de pompage

et les constitutions d’un système(PV).

Le quatrième chapitre a été entièrement consacré à une étude pratique de ce type de

pompage d’eau sur le site Tamanrasset. Nous avons réalisé un dimensionnement complet d’un

system de pompage PV fonctionnant par la méthode dit « au fil du soleil (sans batterie) » ainsi


qu’une simulation ave logiciel PVsyst7 pour avoir l’influence des différents paramètres

météorologique sur les caractéristiques du panneau photovoltaïque.

ChapitreI

L’énergie solaire

I -1 Introduction :

Le soleil est la source essentielle de tout rayonnement reçu par la terre, ce dernier lui

procure l’énergie, la chaleur et la lumière qui sont nécessaires à toute forme de vie. Pour cette

raison on va définir dans ce premier chapitre quelques notions sur l’énergie solaire comme la

géométrie solaires, les données astronomiques, les type de rayonnement et le spectre solaire,

Pour déterminer la position du soleil, la quantité effective de la densité du flux solaire incident

dans la région désertique et définir Appareils de mesures du rayonnement solaire qui permet

d’assure la mesure du rayonnement global, Rayonnement diffus Rayonnement direct et

Rayonnement réfléchi.

Le soleil est une source d’énergie. Cette énergie permet de fabriquer de l'électricité à partir

des panneaux photovoltaïques ou des centrales solaires thermiques, grâce à la lumière du

soleil captée par des panneaux solaires. L’énergie solaire est propre, n'émet aucun gaz à effet

de serre et sa matière première, le soleil bien que distant de plus de 150 millions de kilomètres

de nous .Cette distance varie peu au cours de l'année (+/- 1.65 %) car l'excentricité de l'orbite

terrestre est peu accentuée (e= 0.017), d’où la terre suit une révolution elliptique autour du

soleil (en réalité elle est légèrement circulaire). La période de révolution est définie a une

année .L’angle entre l’axe de rotation de la terre et le plan écliptique est de 66.55°, ce qui

donne un angle de 23.45°entre l’équateur et le plan de l’écliptique. [1] [2]

I -2 Mouvement de la terre-soleil :

Toute application solaire nécessite la connaissance du mouvement apparent du soleil pour

un point donné de la surface terrestre, caractérisé par sa latitude (positive pour l’hémisphère

Nord) et sa longitude (définie par rapport au méridien de Greenwich, positivement vers

l’Est).[3] [4]

Si l’on distingue sur un papier les différentes positions de coordonnées équatoriales

qu’occupe la terre durant toute l’année dans la sphère céleste, et qui joint ces points d’un trait

continu, on obtient un cercle appelé l’écliptique. Figure (I-1). [2]

Chapitre I L’énergie solaire

Figure (I-1): Mouvement de la terre autour du soleil. [2]

Le soleil décrit un cercle centré sur l’axe de rotation de la terre, déplacé à un angle δ par

rapport au plan parallèle à l’équateur. Pour l’observateur terrestre, en considérant la

déclinaison comme constante sur une journée, le soleil décrit un cercle autour de l’axe de

rotation de la terre. Ce cercle est parallèle au plan de l’équateur, et sa hauteur apparente sur ce

plan donné par la déclinaison.

Au cours de la journée, l’instant où le soleil passe par le méridien du lieu de l’observateur

c'est-à-dire où il est au sud dans notre hémisphère est le midi « vrai ». Pour un instant

quelconque, l’angle horaire AH est l’angle projeté sur le plan de l’équateur, entre le soleil et

le midi vrai, il vaut 15° par heure (360°/24h) [3] [4]. A position du soleil est définie par deux

angles : sa hauteur HS l’angle entre le soleil et le plan horizontal du lieu, et son azimut AZ,

l’angle avec la direction du sud, compté négativement vers l’est (sens anti trigonométrique

dans l’hémisphère Nord). Figure (I-2).

Figure (I-2): Définition de la position du soleil. [3] [4]


I-3 Notions d’astronomie:

І-3-1 Repère des coordonnées géographiques terrestres : [2]

Ce sont les coordonnées angulaires pour le repérage d’un site à la surface terrestre:

a) Latitude (ϕ) :

Une des coordonnées terrestres d’un point de notre planète. C’est l’angle que fait le plan de

l’équateur avec la direction reliant le centre de la terre au point considéré. Sa valeur est

positive dans l’hémisphère nord et négatif dans l’hémisphère sud.

b) Longitude (L) :

Une des coordonnées terrestres d’un point de notre planète. C’est l’angle que fait le

méridien local passant par le point considéré avec le méridien d’origine passant par la ville de

Greenwich. Sa valeur est positive à l’ouest et négative à l’est de la méridienne origine.

c) Le méridien :

Grand cercle de la terre passant par les pôles. Tous les points d’un même méridien ont

évidemment la même longitude, le méridien pris pour origine (0°) des longitudes est celui de

Greenwich. Le plan méridien en un lieu est déterminé par ce lieu et par l’axe des pôles. Le

temps solaire vrai est identique, à un instant donné, pour tous les points d’un même méridien.

Figure (I-3) : Les coordonnées géographiques terrestres. [2]

І-3-2 Les coordonnées équatoriales : [2]

І-3-2-1 Repère des coordonnées équatoriales :

Les coordonnées équatoriales sont indépendantes de la position de l’observateur sur la

terre, mais elles sont liées à l’heure de l’observation. La position du soleil est exprimée par

deux angles qui sont la déclinaison δ et l’angle horaire ω.


a) La déclinaison ( ) :

C’est l’angle que forme la direction du soleil et le plan équatorial. La déclinaison varie de

façon sinusoïdale au cours de l’année comme.

L’expression est donnée par :

δ = 23.45 sin [2 (

)] (I -1)

Où n : est le numéro d’ordre du jour de l’année (n=1 pour le 1er Janvier, n=32 pour le 1er

Février,...etc.). La déclinaison varie entre -23,45° le 21 décembre et +23,45° le 21 juin.

b) L’angle horaire ( ) :

L'angle horaire ( ) du soleil est déterminé par la rotation diurne de la terre autour de son

axe. Cet angle est exprimé en (°) et est donné par l’expression Suivante : [5]

(I -2)

Où TSV est le temps solaire varié.

Figure(I.4): Coordonnées horaire. [6]

І-3-2-2 Equation du temps : [2]

a) Temps solaire vrais :

Le temps solaire vrai est définie partir de la relation de la rotation de la terre.

=

(I -3)


b) Temps universel ( ) :

Le temps universel est le temps solaire moyen du méridien de Greenwich. Le temps solaire

moyen d’un lieu de longitude L (comptée positivement vers l’ouest) est lié au temps universel

par :

(I -4)

Deux points de la surface terrestre séparés par 1° de longitude voient passer le soleil à

leurs méridiens avec 4mn de différence.

c) Le temps légal :

Le temps légal TL à l’intérieur d’un état est en général le temps du fuseau horaire mais il

peut en différer pour des raisons de commodité (heure d’été par exemple) :

E (I -4)

E : décalage de faiseur horaire

E : décalage horaire par rapport au méridien de Greenwich. (Egale 1 pour l'Algérie).

d) Temps solaire moyen :

Il est appelé parfois le temps local ( ).

(I -5)

Avec :

: Équation du Temps.

Elle est donnée par :

(I -6)

(I -7)

І-4 Repère des coordonnées horizontales (azimutales) : [2]

Dans ce système de coordonnées, l’observateur est définie comme état le point d’origine de

tout le système projeté auteur de lui une sphère imaginaire sur laquelle tous les étoiles

viennent se colles (sphère céleste).le soleil est repère que l’azimute (0) et la hauteur (h).

І-4-1 La hauteur du soleil (h) : [7]

C’est l’angle formé par la direction du soleil et sa projection sur le plan horizontal. Il est

donné par la relation suivante :

(I -8)


, et sont respectivement la latitude du lieu, la déclinaison du soleil et l'angle horaire.

De la hauteur , on peut déduire les heures de lever et de coucher de soleil.

І-4-2 L’azimute(a) : [7]

C’est l’angle compris entre la projection de la direction du soleil sur le plan horizontal et le

sud. L’azimut est compté positivement vers l’ouest et négativement vers l’est. Il est donné par

la relation suivante :

(I -9)

І-5 Angle d’incidence sur un plan quelconque : [2]

On se propose de calculer l’angle θ entre un rayon arrivant directement du soleil et la

normale à un plan quelconque, l’orientation de la surface est précisée par :

І-5-1 Son inclinaison : L’angle d’inclinaison correspond à l’angle formé par le plan du

module solaire par rapport à l’horizontale.

Figure(I.5): Angle d’inclinaison des modules photovoltaïques. [8]

L’évolution de la trajectoire du soleil variant selon les saisons, l’angle d’inclinaison (pour

un module photovoltaïque n’étant pas muni d’un système rotatif) est plus réduite en été et plus

importante en hiver. L’inclinaison d’un module photovoltaïque par rapport à l’horizontale est

donnée par la relation suivante [9]:

(I -10)

Avec :

: Latitude du lieu.

: Nombre de jour entre l’équinoxe de printemps (21 mars de chaque année) et

le jour considéré.


І-5-2 Son azimut : c’est-à-dire l’angle entre la normale au plan et le plan méridien (compté

comme précédemment, positivement vers l’ouest et négativement vers l’est).

I-6 Caractéristique du rayonnement solaire :

I-6-1 Généralité :

Après son voyage dans l'espace le rayonnement solaire atteint l'atmosphère, une certaine

quantité de ce rayonnement est absorbée par l'atmosphère, les nuages et les particules en

suspension dans l'atmosphère, une autre partie est réfléchie dans l'espace et une certaine

quantité est absorbée par la surface de la terre.

La surface de la terre renvoie aussi une certaine partie sous forme d'un rayonnement de

différentes longueurs d'ondes en raison de la température superficielle de la terre. Environ

70% du rayonnement solaire total reste dans la surface de la terre et dans l'atmosphère. La

rotation de la terre autour de son axe produit des variations horaires dans l'intensité du

rayonnement reçue par un emplacement donné pendant le jour et aboutit même à l'extinction

complète pendant la nuit.

En passant par l'atmosphère, le rayonnement solaire est partiellement dispersé dans toutes

les directions, partiellement absorbé et partiellement réfléchie, par les gaz atmosphériques, les

aérosols et les gouttelettes de nuage.

Le rayonnement dispersé atteignant la surface de la terre constitue ce qu'on appelle le

rayonnement diffus. À nouveau, une partie de ce rayonnement diffus revient en arrière dans

l'espace, alors qu'une partie atteinte la surface de la terre sous forme d'un rayonnement, direct,

diffus et réfléchi, (Figure I-6).

Le rayonnement direct comme son nom l'indique est le rayonnement solaire reçu à

n'importe quel point sur terre directement du soleil sans aucune perturbation. Le rayonnement

réfléchi est principalement renvoyé par la surface réceptrice, cette composante est plus

importante dans des régions saharien. La quantité de rayonnement solaire atteignant n'importe

quel point de la surface de la terre dépend de la position de ce point, du moment de l'année, de

la diffusion atmosphérique, de la couche des nuages et de la forme et la réflectivité de la

surface réceptrice. [10]


Figure (I-6): Composantes du rayonnement solaire. [7]

І-6-2 Nature du rayonnement solaire : [10] [11]

L’énergie émise par le soleil nous parvient sous forme de rayonnements

électromagnétique propageant à la vitesse de la lumière et dont l’ensemble forme le

rayonnement solaire, qui constitue la seule source externe notable d’énergie pour

l’atmosphère. La théorie corpusculaire de Max Planck prévoit que tout rayonnement de

fréquence (v) peut être considéré comme un flux de photons dont l’énergie élémentaire (E) est

directement proportionnelle à cette fréquence.

(I -11)

Où :

: est la constante de Planck.

: La vitesse de la lumière.

: La longueur d'onde.


Figure (I-7) : Analyse spectrale du rayonnement solaire. [11]

I-6-3 Le rayonnement solaire extraterrestre ou hors atmosphère:

Le soleil émet une énergie sous forme d’un rayonnement électromagnétique. Le

rayonnement émis par le soleil constitue un spectre allant des ultraviolets à l’infrarouge en

passant par le spectre visible ou il émet un maximum d’énergie. Le rayonnement solaire

parvient à la limite de l’atmosphère terrestre après un trajet dans l’espace d’environ D0=

150.000.000 km, effectué en 8 minutes. La quantité de radiation solaire reçue sur une surface

normale hors de l’atmosphère terrestre à la distance moyenne D0 entre la terre et le soleil est

appelé constante solaire I0= 1367w/m². Ceci est connu sous le nom de « Constante solaire »

[2]. Cependant, la distance de la terre au soleil n’est pas constante tout au long de l’année, il

en résulte que le rayonnement extraterrestre oscille par un pourcentage de 30%. [12]

I-6-4 Absorption de rayonnement solaire :

L’absorption du rayonnement solaire est sélective et dépend principalement de quatre

éléments qui sont : [13]

1- Ozone (O3) : Il absorbe des bandes fortes entre 0.2 et 0.3 μm, des bandes faibles de

0.45 à 0.7 μm et deux bandes IR à 10 et 14 μm.

2- Oxygène (O2) : Il absorbe des bandes étroites du spectre visible (vers 0.69 et 0.76μm).

3- Gaz carbonique (Co2) : Il absorbe des une partie de l’infrarouge lointain (λ>2μm).

4- Vapeur d’eau : qui entraîne des bondes d’absorption multiples surtout dans l’IR.


I-6-5 Distribution du rayonnement solaire par l’atmosphère :

1- Le rayonnement solaire au sol :

Afin de quantifier l’énergie développée par le générateur photovoltaïque dans une

application donnée, il est nécessaire de connaître le spectre du rayonnement solaire reçu sur

sol. En effet, quatre types de rayonnement ont été répertoriés dans la littérature. [14][15]

Figure (I.8) : Le rayonnement solaire.[14][15]

2- Le rayonnement direct :

La conversion du rayonnement direct est une question trigonométrique. Le rayonnement

direct, sur le plan horizontal, est la différence entre le rayonnement global et le rayonnement

diffus.

3- Le rayonnement diffus :

Il est dû à l’absorption et à la diffusion d’une partie du rayonnement solaire global par

l’atmosphère et à sa réflexion par les nuages et les aérosols.

4- Le rayonnement réfléchi ou l’albédo du sol :

C’est le rayonnement qui est réfléchi par le sol ou lorsque le sol est particulièrement

réfléchissant (eau, neige, etc.…).

5- Le rayonnement global :

Le rayonnement global est subdivisé en rayonnements directs, diffus et reflété par le sol.

Dans la figure ci-dessous figure (I-9) est schématisé l’ensemble des rayonnements solaires sur

une surface terrestre.


Figure (I-9): Types de rayonnement solaire reçus au sol. [2]

L’intensité du rayonnement solaire reçu sur un plan quelconque à un moment donné est

appelée irradiation ou éclairement (noté généralement par la lettre G), il s’exprime en watts

paramètre carré (W/m²). La valeur du rayonnement reçu par la surface du module

photovoltaïque varie selon la position de ce dernier. Le rayonnement solaire atteint son

intensité maximale. Lorsque le plan du module photovoltaïque est perpendiculaire aux

rayons.[14] [15]

Dans la figure (I-10) ci-après est illustré l’effet de l’inclinaison des modules

photovoltaïques sur l’intensité de l’éclairement reçu sur leurs surfaces du lever au coucher du

soleil.

Figure (I-10): Rayonnement solaire capté par un plan horizontal et incliné.[14][15]


I-7 Durée d’insolation :

La durée d’insolation correspond au nombre d’heures dans la journée, entre le lever et le

coucher du soleil, où celui-ci est bien visible.

Le relevé est fait au moyen de l’héliographe de Campbell− Stokes dans lequel une sphère de

cristal concentre les rayons du soleil sur un papier qu’il brûle en se déplaçant. Ainsi, seuls les

moments où le soleil est biens visible sont enregistrées ; on parle alors de durée d’insolation réelle

ou effective et dépend du fait que le soleil levé soit visible du point d’observation ou caché par les

nuages.

Au défaut de l’héliographe, il est possible à partir du calcul du mouvement astronomique

relatif du soleil et de la terre d’évaluer la durée théorique du jour ; c’est-à-dire, celle qu’il y aurait

si les nuages ne cachaient pas le soleil. Cette durée est calculée en fonction de la latitude du site et

de la déclinaison apparente qui‟ elle-même dépend de la période de l’année considérée. [16][17]

I-8 Irradiation solaire :

L’irradiation (Ensoleillement ou éclairement) est définie comme une puissance reçue

par une surface. Il s'exprime en W/m² (watt par mètre carré).

L'irradiation ou rayonnement est l'énergie reçue par une surface. Elle s'exprime en

(J /m²) (Joule par mètre carré). Le rayonnement qui atteint le niveau de la mer à midi dans un

ciel clair est de 1000 Wh/m².

D'autres unités plus courantes sont le Wh/m² (wattheure par mètre carré) Signalons que,

l’irradiation solaire dépend de :

- l’orientation et l’inclinaison du panneau solaire.

- la latitude du lieu et son degré de pollution.

- la période de l’année.

- l’instant considéré dans la journée.

- la nature des couches nuageuses.

I-9 Appareils de mesures du rayonnement solaire : [18] [2]

I-9-1 L’héliographe de Campbell-Stockes :

L’héliographe de Campbell-Stockes permet de mesurer avec une résolution de six minutes

la durée d'ensoleillement quotidienne.


I-9-2 Le Pyranométre :

C'est le capteur le plus fréquemment utilisé pour mesurer le rayonnement global ou diffus.

I-9-3 Le Pyrhéliométre :

C’est un instrument destiné à la mesure de l'intensité du rayonnement solaire direct.

I-9-4 Le Spectroradiométre :

Mesure la répartition spectrale du rayonnement solaire et fourni la densité spectrale de

l’éclairement énergétique.

I-9-5 L’Albedométre :

Mesure l’albédo qui est définie par le rapport du rayonnement réfléchi au rayonnement

global on utilise deux pyromètres opposés à l’horizontal.

I-10 Gisement solaire :

I-10-1 Gisement solaire mondial : [19]

L’énergie solaire reçue est inégalement répartie dans le monde. Dans les régions les plus

chaudes du globe, l’ensoleillement annuel peut atteindre 2 300 kWh/m².an (Energie reçue par

une surface de 1 m² pendant une année). En Europe centrale l’ensoleillement moyen est de

1100 kWh/m².an.

Figure (I-11) : Moyenne annuelle du Rayonnement solaire journalier sur un plan

horizontal.[19]


I-10-2 Potentiel solaire en Algérie : [13]

L’Algérie dispose d’un des gisements solaires les plus importants du monde. La durée

d’insolation sur la quasi-totalité du territoire national dépasse les 2000 heures annuellement et

atteint les 3900 heures (hauts plateaux et Sahara). L’énergie reçue quotidiennement sur une

surface horizontale de 1 m² est de l’ordre de 5 kWh sur la majeure partie du territoire national, soit

près de 1700 kWh/m²/an au Nord et 2263 kWh/m²/an au sud du pays.

Une évaluation par satellite, effectuée par l’agence spatiale allemande, a montré que l’Algérie

possède le potentiel solaire le plus important de tout le bassin méditerranéen. L’Algérie a un

gisement solaire de plus de 2000 kWh/m².

Figure (I-12): Irradiation globale journalière reçue sur un plan horizontal sur le territoire

Algérien au mois de juillet.[13]


I-11 Conclusion :

Dans ce chapitre nous avons donnée de la généralité sur le rayonnement solaire, différents

notion et définition.

Dans les systèmes d’exploitation de l’énergie solaire (L’agriculture, l’application

énergétique et sécurité publique), le besoin de données d’insolation est d’une importance

capitale aussi bien dans la conception et le développement de ces systèmes. Dans ce contexte,

la première étape, consiste à déterminer les différents paramètres astronomiques. Précisément,

la position exacte du soleil quel que soit le moment de l’année.

Le gisement nécessaire de définir les deux concepts indispensables: la latitude et la

longitude de lieu. La détermination du flux solaire incident sur les panneaux solaire pour

différentes orientations dans la zone étude doit être étudiée et en analysant l’effet des

conditions climatiques sur l’évolution du flux solaire.

Chapitre II

Analyse des systèmes Photovoltaïque

II-1 Introduction :

Aujourd’hui l’énergie électrique est très demandé dans notre vie, nos besoins et devient

essentielle pour les sites isolés (région saharienne, région montagneuse), l’énergie solaire

photovoltaïque constitue la solution la plus avantageuse.

L’utilisation de l’énergie solaire photovoltaïque consiste à convertir directement le

rayonnement lumineux en électricité. Elle emploie pour ce faire des modules ou panneaux

photovoltaïques, composés de cellules solaires qui réalisent cette transformation d’énergie. La

conversion photovoltaïque est basée sur l’absorption de photons dans un matériau semi-

conducteur qui fournit des charges électriques, donc du courant, dans un circuit extérieur.

Le présent chapitre consiste à présenter une étude générale sur le système d’énergie

solaire photovoltaïque avec leurs caractéristiques de base ainsi que les effets de l'éclairement

et de la température.

II-2 Le générateur photovoltaïque GPV :

II-2-1 Historique [20] :

Quelques dates importantes dans l’histoire du photovoltaïque :

1839 : Le physicien français Edmond Becquerel découvre le processus de l’utilisation

de l’ensoleillement pour produire du courant électrique dans un matériau solide. C’est

l’effet photovoltaïque.

1875 : Werner Von Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un

article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu’à la Seconde

Guerre Mondiale, le phénomène reste encore une curiosité de laboratoire.

1954 : Trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince, mettent au point une

cellule photovoltaïque à haut rendement au moment où l’industrie spatial naissante

cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites.

1958 : Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites

alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l’espace.

1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à

l’Université de Delaware.

Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque

1983 : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance

de 4 000 km en Australie.

1995 : Des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été

Lancés, au Japon et en Allemagne, et se généralisent depuis 2001.

La première cellule photovoltaïque (ou photopile) a été développée aux États-Unis en 1954

par les chercheurs des laboratoires Bell, qui ont découvert que la photo-sensibilisée du

silicium pouvait être augmentée en ajoutant des "impuretés".

II-3 Définition d’une cellule solaire PV ou l’effet photovoltaïque :

L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement

l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du

transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques positives et négatives sous

l’effet de la lumière. [21]

II-4 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque : [22] [23]

La cellule photovoltaïque (ou cellule solaire) est l’élément de base de l’effet

Photovoltaïque (ou conversion par photopiles) permettant de produire de l’électricité à partir

de l’énergie solaire. Ce phénomène implique la production et le transport de charges négatives

et positives sous l’effet de la lumière dans un matériau semi-conducteur (qui est la plupart du

temps, le silicium). En heurtant la surface de ce matériau, les photons transfèrent leur énergie

aux électrons contenus dans la matière dopée négativement et positivement (Jonction p-n).

Ceux- ci se mettent alors en mouvement dans une direction particulière, créant ainsi un

courant électrique continu qui est recueilli Par des fils métalliques très fins micro-

soudés en surface (voir figure II.1).


Figure (II.1): Principe de fonctionnement du générateur photovoltaïque. [22] [23]

La cellule PV est réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopé P (Dopé au bore)

et l’autre dopée N (dopée au phosphore) créant ainsi une Jonction PN avec une barrière de

potentiel [24]. Lorsque les photons sont absorbés par le semi-conducteur, ils transmettent leur

énergie aux atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons de ces atomes se libèrent

et créent des électrons (charge N) et des trous (charge P). Ceci crée alors une différence de

potentiel entre les deux couches. Cette différence de potentiel est mesurable entre les

connexions des bornes positives et négatives de la cellule. La tension maximale de la cellule

est d’environ 0.6 V pour un courant nul. Cette tension est nommée tension de circuit ouvert

( ) [25]. Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont court-

circuitées, il est appelé courant de court-circuit ( ) et dépend fortement du niveau

d’éclairement.

II-5 Type des systèmes photovoltaïques : [26]

Les trois genres des systèmes photovoltaïques que l’on rencontre généralement sont les

systèmes autonomes, hybrides et connectés à un réseau. Les deux premiers sont indépendants

du service public de distribution d’électricité; on les retrouve souvent dans les régions

éloignées.


II-5-1 Systèmes hybrides :

Les systèmes hybrides, qui sont également indépendants des réseaux de distribution

d’électricité, sont composés d’un générateur photovoltaïque combiné à une éolienne ou à un

groupe électrogène à combustible, ou aux deux à la fois. Un tel système s’avère un bon choix

pour les applications qui nécessitent une alimentation continue d’une puissance assez élevée,

lorsqu’il n’y a pas assez de lumière solaire à certains moments de l’année, ou si on désire

diminuer notre in avertissement dans les champs de modules photovoltaïques et les batteries

d’accumulateurs.

Figure (II.2) : Schéma descriptif du système hybride. [26]

II-5-2 Systèmes connectés au réseau :

Les systèmes de production d’énergie photovoltaïque connectés à un réseau sont une

résultante de la tendance à la décentralisation du réseau électrique. L’énergie est produite plus

près des lieux de consommation sans demander de grandes centrales thermiques ou

hydroélectriques. Au fil du temps, les systèmes connectés à un réseau réduiront la nécessité


d’augmenter la capacité des lignes de transmission et de distribution. Un système connecté à

un réseau produit sa propre électricité et achemine son excédent d’énergie vers le réseau,

auprès duquel il s’approvisionne au besoin; ces transferts éliminent le besoin d’acheter et

d’entretenir une batterie d’accumulateurs. Il est toujours possible d’utiliser ceux-ci pour

servir d’alimentation d’appoint lorsque survient une panne de réseau, mais ce n‘est pas

nécessaire.

Figure (II.3) : Schéma descriptif du système connecté au réseau. [26]

II-5-3 Système photovoltaïque de pompage d’eau ( Système autonome):

Le pompage solaire représente la solution idéale pour l'approvisionnement en eau

partout où le réseau électrique est absent (alimentation en eau pour un usage domestique, pour

l’irrigation agricole, …etc.). D’autre part, l’énergie photovoltaïque ne présente aucun risque

de pollution de l’eau, contrairement aux générateurs diesel où des écoulements de

combustible peuvent se produire.[27]


Figure (II.4) : Système de pompage solaire. [27]

II-6 Les différents types de module photovoltaïque (cellules PV) : [28]

Il existe différents types de cellules solaires ou cellules photovoltaïques. 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 8% et 23% de l’énergie que les cellules

reçoivent.

Actuellement, il existe trois principaux types de cellules :

II-6-1 Le module au silicium monocristallin :

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.

Figure (II.5) : cellule monocristalline. [28]


II-6-2 Le module au silicium poly cristallines :

Leur conception est plus facile et leur coût de fabrication est moins important. Cependant

leur rendement est plus faible : de 11% à 15% jusqu’à 19.8% en laboratoire).

Figure (II.6) : cellule poly cristalline. [28]

II-6-3 Le module au silicium amorphe :

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.

Figure (II.7) : cellule amorphe. [28]


L’avantage de ce dernier type est le fonctionnent avec un éclairement faible (même par

temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment). et actuellement le matériau le plus utilisé pour

fabriquer les cellules photovoltaïques disponibles à un niveau industriel.

II-7 Le module photovoltaïque : [29]

L'interconnexion des modules entre eux, en série ou en parallèle, pour obtenir une

puissance plus grande, définit la notion de générateur photovoltaïque. Le générateur

photovoltaïque se compose de plusieurs modules et d'un ensemble de composants qui adapte

l'électricité produite par les modules aux spécifications des récepteurs.

II-7-1 Association en série :

En additionnant des cellules ou des modules identiques en série, le courant de la branche

reste le même mais la tension augmente proportionnellement au nombre de cellules (modules)

en série (Figure II.8).

Figure (II.8): Exemple d’une connexion en série. [29]

II-7-2 Association en parallèles :

En additionnant des cellules ou des modules identiques en parallèle, la tension de la

branche est égale à la tension de chaque module et l’intensité augmente proportionnellement

au nombre de modules en parallèle dans la branche.


Figure (II.9): Exemple d’une connexion en parallèles [29]

II-8 Paramètres électriques d’un module photovoltaïque : [30]

Les paramètres les plus importants d’un panneau photovoltaïque sont :

II-8-1 Courant de court-circuit ( ) : C’est l’intensité de courant maximale fournie par le

panneau. Il s’agit du courant qui se produit lors de la connexion directe des deux pôles.

II-8-2 Tension de circuit ouvert ( ) : C’est la tension maximale fournie par le panneau.

Elle se produit quand les pôles se trouvent « en plein air ». Est généralement inférieur à

22 V dans les modules qui fonctionnent avec 12 V.

II-8-3 La puissance de crête : Puissance électrique maximum que peut fournir le module

dans les conditions standards (25°C et un éclairement de 1000 W/m²).

II-8-5 Facteur de forme FF : Rapport entre la puissance crête et la puissance nominale

que peut avoir la cellule :

II-8-5 Efficacité ou rendement ŋ : C’est le rapport entre la puissance électrique nominale

que le panneau peut transmettre à la charge et la puissance du rayonnement solaire (E)

frappant le panneau(s).


ІI-9 Caractéristique courant-tension:[30]

Une cellule photovoltaïque est un générateur élémentaire d’énergie électrique définie par

sa courbe caractéristique courant-tension. Elle indique la variation du courant qu’elle produit

en fonction de la tension aux bornes de la cellule depuis le court-circuit jusqu’au circuit

ouvert (tension à vide).Le fonctionnement électrique d’un module est représenté par sa courbe

caractéristique. Cette courbe indique le courant fourni par le module en fonction de sa tension.

La figure (II.10) et montrent les possibles valeurs de tension et de courant qui dépendent

surtout de la température et du rayonnement solaire reçu par les cellules du module.

Figure(II.10) : Courbes caractéristiques d’un module photovoltaïque en fonction de valeurs

différentes de rayonnement. [30]

Chaque courbes correspond à des conditions spécifiques de fonctionnement de plus, une

courbe est propre à chaque type de matériau photovoltaïque. Sous illumination, avec un

changement de signe conventionnel pour le courant, cette relation devient. [23]

⁄ (II.1)


Avec :

: Tension imposé à la diode

= k.t/q = 26 mV à 300 K

= 1,38x 10-23 : constante de Boltzmann

q=1,602 x10-19 : charge de l’électron

t : température absolue en K

: Courant de saturation de la diode

: La photo courant.

Le courant de court-circuit :

(Quand U=0) (II.2)

La tension du circuit ouvert : ⁄ ⁄ (II.3)

Ou pour : >>

⁄ ⁄ (II.4)

On note clairement que :

- Le courant d’une cellule solaire est proportionnel à l’éclairement et à la surface de la

cellule.il augmente avec la température

-La tension en circuit ouvert d’une cellule solaire varie de manière logarithmique avec

l’éclairement et baisse avec la température.

ІI-10 Puissance et facteur de forme:[25]

C’est le critère de choix de la cellule, tous chercheur ou constructeur a tendance de cherché

la photopile qui génère le maximum de puissance ou d’énergie. La figure (I.18) montre la

courbe caractéristique sous lumière d’une photopile ainsi que des courbes théoriques de

puissance constante (en pointillés).


Figure(II.11): puissance maximale sur une caractéristique courant-tension. [25]

Le point Pm caractérise la puissance maximale, associé à une tension et un courant :

(II.5)

ІI-10-1 Le facteur de forme : [12]

Il est possible de déterminer le facteur de forme qui indique le degré idéaliste de la

caractéristique courant-tension définit comme suit :

⁄ (II.6)

ІI-10-2 Rendement énergétique : [23]

Il est défini quant à lui comme le rapport entre la puissance maximale produite et la

puissance du rayonnement solaire qui arrive sur la cellule ou le module photovoltaïque et

s’écrit:


⁄ (II.7)

: L’éclairement [W/m²].

: Surface de la cellule ou du module [m²].

II-11 Effet de l’éclairement :

L’augmentation de l’éclairement provoque une augmentation du courant où le générateur

fonctionne comme un générateur de courants, mais il y a une légère augmentation pour la

tension en circuit ouvert. Ce faisceau de courbes se trace à température constante, et illustre

un tracé correspondant à une température Tc = 25°C (figure II.12 et figure II.13), les

modules utilisés dans notre station sont de type poly cristallin (BP SX 150)[21], dont

les caractéristiques sont données dans l’annexe A.

Figure (II.12): Effet de l’éclairement sur la caractéristique (I, V).[31]


Figure (II.13) : Effet d’éclairement sur la caractéristique (I, P).[31]

II-12 Influence de la température : [31]

La température est un paramètre important dans le comportement des cellules.

La figure II.14 montre clairement que l’augmentation de la température se traduit aussi

par une diminution de la puissance maximale disponible.

Figure (II.14) : Effet de la température sur les caractéristiques de cellule. [31]


De la figure (II.14) on remarque que la puissance maximale du générateur subit une

diminution lorsque la température augmente.

II-13 Les types de pose des panneaux photovoltaïques : [32]

II-13-1 Panneaux photovoltaïques sur toit incliné :

Ce type de montage est le plus courant, le plus simple et le meilleur marché (pas

besoin de support, on utilise la toiture). Les panneaux sont fixés à une structure portante

métallique solidement ancrée à la charpente. On peut y déduire que la position géographique

influence l’orientation du module et avant tout l’inclinaison. Par exemple, si l’installation se

trouve dans l’hémisphère du nord, à mesure que le module s’approche au pôle, l’inclinaison

doit augmenter.

Figure (II.15) : Panneaux photovoltaïques sur toit incliné de maison. [32]

II-13-2 Panneaux photovoltaïques sur toit plat :

La fixation des panneaux est généralement réalisée par lestage, dans certain cas (pour

limiter la surcharge) il est cependant nécessaire d'ancrer les panneaux à la structure portante

de la plateforme.


Figure (II.16) : Panneaux photovoltaïques sur toit plat de bâtiment résidentiel. [32]

II-13-3 Panneaux photovoltaïques sol sur structure :

Ce type de montage permet d'optimiser l'orientation (plein sud) et l'inclinaison (32°

par rapport à l'horizontal) des panneaux. Les panneaux sont fixés à une structure à 30°.

Figure (II.17) : Panneaux photovoltaïques au sol sur structure. [32]

II-13-4 Panneaux photovoltaïques sur suiveur solaire (ou tracker solaire) :

Ce type de montage permet d'optimiser l'orientation et l'inclinaison des panneaux par

rapport à la position réelle du soleil. Les panneaux sont fixés à une structure portante qui


suit le cheminement du soleil afin de capter un maximum d'énergie. Ce type de

montage nécessite l'obtention d'un permis d'urbanisme.

Figure (II.18) : Panneaux photovoltaïques sur suiveur solaire. [32]

II-13-4 Panneaux photovoltaïques sur façade :

Ce type de montage permet d'utiliser les panneaux photovoltaïques en pare-soleil ou

en intégration au bâti (BIPV pour Building Integrated Photovoltaïque). Les panneaux sont

fixés à une structure portante solidement ancrée à la structure du bâtiment. Ce type de

montage nécessite l'obtention d'un permis d'urbanisme.

Figure (II.19) : Panneaux photovoltaïques sur façade. [32]


II-13-5 Orientation et inclinaison des modules : [33]

En générale La position des modules photovoltaïques par rapport au soleil influent

directement sur leur production énergétique. Il est très important de bien les placer pour les

utiliser au maximum de leur possibilité.

On appelle orientation, le point cardinal vers lequel est tournée la face active du panneau

(Sud, Nord, Sud-ouest…). L’inclinaison indique l’angle que fait le panneau avec le plan

horizontal, elle se compte donc en degrés, figure(II.20).

Figure (II.20) : Définition de l’orientation et de l’inclinaison d’un panneau. [33]

L’orientation idéale d’un module photovoltaïque obéit à une règle vers l’équateur :

- Orientation vers le sud dans l’hémisphère Nord.

- Orientation vers le nord dans l’hémisphère Sud.

En ce qui concerne l’inclinaison, c’est un peu plus compliqué. Si on prend le cas d’une

application autonome qui consomme une énergie quasi constante tout au long de l’année.

L’hiver étant la période la moins ensoleillée, c’est à cette période qu’il faut optimiser la

production. Les panneaux doivent donc pouvoir récupérer l’énergie d’un soleil dont la hauteur

est faible. Il en résulte qu’en Algérie pour une utilisation annuelle, l’inclinaison idéale est

environ égale à 30° à la latitude du lieu + 10° (pour une orientation sud).


II-14 Les avantages et inconvénients de l'énergie photovoltaïque : [34]

II-14-1 Les avantages du photovoltaïque :

-L'énergie du soleil est la source la plus renouvelable de toutes.

-Sur les sites isolés, l'énergie photovoltaïque offre une solution pratique pour obtenir de

l’électricité à moindre coût.

-La revente du surplus de production permet d'amortir les investissements voir de générer des

revenus.

-L'énergie photovoltaïque est totalement modulable et peut donc répondre à un large éventail

de besoins. La taille des installations peut aussi être augmentée par la suite pour suivre les

besoins de la charge.

-L'énergie photovoltaïque est une énergie propre et non-polluante qui ne dégage pas de gaz à

effet de serre et ne génère pas de déchets.

II-14-2 Les inconvénients du photovoltaïque :

-Le coût d'investissement des panneaux photovoltaïques qui reviennent cher.

-La fabrication des panneaux photovoltaïques relèvent de la haute technologie demandant

énormément de recherche et développement et donc des investissements coûteux. Cela se

traduit dans le prix de l’installation qui, aujourd’hui, reste chère.

-Les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles.

-Dans le cas d’une installation photovoltaïque autonome qui ne revend pas son surplus

d’électricité au réseau, il faut inclure des batteries dont le coût reste très élevé.

-Le niveau de production d’électricité n’est pas stable et pas prévisible mais dépend du niveau

d’ensoleillement. De plus, il n'y a aucune production d'électricité le soir et la nuit.

-La durée de vie d'une installation photovoltaïque n'est pas éternelle mais de l'ordre de 20 à 30

ans. De plus, le rendement des cellules photovoltaïques diminue avec le temps qui passe.

II-15 Conclusion :

Nous avons présenté dans ce chapitre les différentes type des systèmes photovoltaïques

suite, par Les différents types de module photovoltaïques leur fonctionnement , en fin

nous avons défini les différents types de pose des panneaux photovoltaïques et son

orientation et inclinaison des modules pour profiter l’ensoleillement toute la journée.

Chapitre III

Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque

III-1 Introduction :

Dans nos jours, la demande d'eau est très importante, en particulier dans les zones

rurales et les sites isolés où l’accès à l’énergie classique est difficile voir pratiquement

impossible.

Ce phénomène a fait qu'un intérêt grandissant est porté sur l'utilisation des

générateurs photovoltaïques comme nouvelle source d'énergie. La réalisation d’un système

de pompage photovoltaïque autonome, fiable et à bon rendement, constitue une solution

pratique et économique au problème du manque d'eau, en particulier, dans les régions

désertiques. En effet, un système photovoltaïque devient intéressant lorsqu’il est facile à

installer, avec une autonomie acceptable et une excellente fiabilité de service.

III-2 Généralité : [29]

Un pompe photovoltaïque se présent fondamentalement de deux façons selon qu’elle

fonctionne avec ou sans batterie. Alors que cette première utilise une batterie pour stocker

l’électricité produite par les modules, la pompe sans batterie, plus communément appelée

«pompe au fil du soleil», utilise un réservoir pour stocker l’eau jusqu’au moment de son

utilisation.

La pompe avec batterie permet de s’affranchir des aléas du soleil et des problèmes

d’adaptation entre générateur photovoltaïque et motopompe. Le débit de pompage peut se

faire à la demande, lorsque les utilisateurs en ont besoin, ou permettre un pompage régulier

durant toute la journée. Dans ce dernier cas, l’utilisation d’un réservoir de stockage pour l’eau

sera nécessaire afin de pouvoir fournir à la demande d’eau.

Toutefois, l’utilisation de batteries comporte davantage de composants qui influent sur la

fiabilité et le coût global du système. Les batteries sont fragiles et sont souvent les premiers

éléments qui auront besoin d’être changés. Elles nécessitent en outre un entretien constant et

un contrôle rigoureux de leur charge et décharge. Les contrôleurs utilisés pour régulariser la

charge et la décharge des batteries vieillissent rapidement et peuvent s’avérer non fiables. Les

Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque

batteries introduisent également un certain degré de perte de rendement d’environ 20% à 30%

de la production d’énergie.

Le pompage au fil du soleil permet d’avoir un système photovoltaïque plus simple, plus

fiable et moins coûteux qu’un système avec batterie.

Le stockage se fait de manière hydraulique, l’eau étant pompée, lorsqu’il y a suffisamment

d’ensoleillement, dans un réservoir au-dessus du sol. Elle est ensuite distribuée par gravité au

besoin. Le réservoir peut souvent être construit localement et la capacité de stockage peut

varier d’un à plusieurs jours. Ce réservoir ne requiert pas un entretien complexe et est facile à

réparer localement.

Compte tenu du coût additionnel du système avec batterie, des problèmes de maintenance

de la batterie et de l’obligation de la remplacer après 3 à 5 ans d’usage, la solution au fil du

soleil est présentement préférée.

Les systèmes de pompage solaire photovoltaïque utilisent la conversion du rayonnement

solaire en électricité pour alimenter une pompe dans un forage ou un puits.

La différence qui existe entre un système de pompage solaire et un système de pompage

classique est l'utilisation de panneaux solaires photovoltaïques, d’un convertisseur et d’une

pompe adéquate.

Les pompes utilisées peuvent être immergées, centrifuges ou volumétriques, selon les

conditions d’utilisation. [35]

III-3 Principe de fonctionnement : [35]

Sous l’effet des rayonnements solaires les modules PV génèrent un courant continu, et

pour qu’il soit utilisé pour l’alimentation de la pompe, le variateur de fréquence intervient et

transforme le courant continu généré en courant alternatif, il fait également varier la fréquence

et la tension en fonction de l’énergie disponible. Ainsi la pompe alimentée en courant

alternatif de source solaire pompe l’eau d’une hauteur basse (puit, forage) à une hauteur

élevée de la surface de la terre (réservoir d’eau) pour que cette eau soit exploitée pour

diverses applications, il s’agit d’un pompage au fil du soleil dont le fonctionnement dépend

que de la disponibilité d’une bonne intensité solaire.


Figure (III.1) : Schéma d'une installation du pompage PV. [35]

III-4 Constitutions d’un système de pompage PV :

Un système de pompage solaire est généralement constitué de : [36]

le générateur photovoltaïque,

le groupe électropompe,

l'électronique de commande et de contrôle,

la partie stockage,

Figure (III.2) : Description d’un système de pompage PV. [36]


III-4-1 Générateur photovoltaïque : [37]

Le module photovoltaïque convertit directement la lumière du soleil en courant

électrique continu par le biais des cellules solaire.

Pour obtenir des puissances supérieures, il est nécessaire d’associer en série et en

parallèle plusieurs modules. Dans certaines applications, il est possible d’utiliser un ou

plusieurs modules de quelques dizaines de cellules. Pour des utilisations plus importantes, les

générateurs PV sont groupés dans un champ de plusieurs modules (quelques centaines).

Leur nombre dépend des besoins énergétiques de la pompe et de l’ensoleillement du site.

Les panneaux solaires peuvent être inclinés de 10 à 60°. En fonction du type de

système de pompage Solaire, le générateur photovoltaïque demande une ou plusieurs

branches câblées en série.

Le point de fonctionnement du générateur photovoltaïque est caractérisé par :

(III.1)

(III.2)

et sont respectivement le courant et la tension du générateur photovoltaïque.

, sont les nombres des modules en parallèle et en série.

Figure (III.3): Groupement de module en série et en parallèle. [37]


III-4-2 Le groupe électropompe :

Composé de deux parties :

III-4-2-1 Les pompes : [38]

Une pompe est un dispositif permettant d’aspirer et de refouler un fluide.

Les pompes à eau sont habituellement classées selon leur principe de fonctionnement, soit

de type volumétrique ou centrifuge. Outre ces deux classifications que nous décrirons plus

loin, on distingue également deux autres types de pompes en fonction de l’emplacement

physique de la pompe par rapport à l’eau pompée : la pompe à aspiration et la pompe à

refoulement.

La hauteur d’aspiration de n’importe quelle pompe est limitée à une valeur théorique de

9,8 mètres (pression atmosphérique en mètres d’eau) et dans la pratique à 6 ou 7 mètres. Les

pompes à aspiration sont donc toujours installées à une hauteur inférieure à celle-ci. Ces

pompes doivent également être amorcées, c’est-à-dire que la section en amont de la pompe

doit être remplie d’eau pour amorcer l’aspiration d’eau.

Les pompes à refoulement sont immergées dans l’eau et ont soit leur moteur immergé avec la

pompe (pompe monobloc), soit le moteur en surface ; la transmission de puissance se fait

alors par un long arbre reliant la pompe au moteur. Dans les deux cas, une conduite de

refoulement après la pompe permet des élévations de plusieurs dizaines de mètres, selon la

puissance du moteur.

Figure (III.4): Principe de conversion d’une pompe. [38]


III-4-2-2 Les types de pompes :

Il existe deux grands types de pompes : les pompes centrifuges et les pompes

volumétriques :

A- La pompe volumétrique :

La pompe volumétrique transmet l’énergie cinétique du moteur en mouvement de va et

vient permettant au fluide de vaincre la gravité par variations successives d’un volume

raccordé alternativement à l’orifice d’aspiration et à l’orifice de refoulement. Le débit d’eau

d’une pompe volumétrique est proportionnel à la vitesse du moteur. Mais son couple varie

essentiellement en fonction de la hauteur manométrique totale (HMT) et est pratiquement

constant en fonction de la vitesse de rotation du moteur. Le couple de démarrage est donc

pratiquement indépendant du débit et sera proportionnel à la HMT.

La puissance consommée sera proportionnelle à la vitesse. C’est pourquoi ces pompes sont

habituellement utilisées pour les puits et les forages à grandes profondeurs et à petits débits

d’eau. On les utilise parfois comme pompes de surface lorsque le couple est lent et irrégulier

et que le débit demandé est faible, par exemple pour les pompes à main et les pompes

éoliennes.

Figure (III.5) : les types des pompes volumétriques. [39]


A-1 Caractéristiques d’une pompe volumétrique :

Le couple est pratiquement constant en fonction de la vitesse et Le débit est proportionnel

à la vitesse.

Figure (III.6): courbes Caractéristiques d’une pompe volumétrique. [29]

B- La pompe centrifuge : [40]

La pompe centrifuge transmet l’énergie cinétique du moteur au fluide par un mouvement

de rotation de roues à aubes ou d’ailettes. L’eau entre au centre de la pompe et est poussée

vers l’extérieur et vers le haut grâce à la force centrifuge des aubages. Afin d’augmenter la

pression, donc la hauteur de refoulement, plusieurs étages d’aubages peuvent être juxtaposés

sur le même arbre de transmission. Chaque étage fait passer l’eau à l’étage suivant en relevant

la pression jusqu’à l’étage final, délivrant un volume d’eau à pression élevée (voir figure 7.8).

Figure (III.7): Pompe centrifuge à plusieurs étages. [40]


Figure (III.8): Vue en face d’une pompe centrifuge. [29]

B-1 Caractéristiques d’une pompe centrifuge :

Le couple augmente très rapidement en fonction de la vitesse et le débit est proportionnel à

la vitesse toutefois il faut une vitesse minimale à une HMT donnée pour obtenir un débit.

Figure (III.9): Courbes Caractéristiques d’une pompe centrifuge. [29]


III-4-2-3 Classification selon la position de pompe : [29]

En fonction de l'emplacement physique de la pompe, nous distinguons : Les pompes de

Surface, et les pompes immergée.

A- Pompes de surface :

Le terme surface définit la position d'une pompe par rapport au liquide à pomper.

Elle est dite pompe de surface, car prévue pour être posée en dehors du liquide à aspirer.

Figure (III.10): Pompes de surface. [29]

B- Pompes immergées :

Les pompes de refoulement sont immergées dans l'eau et ont soit leur moteur immergé

avec la pompe (pompe monobloc), soit le moteur en surface. La transmission de puissance se

fait alors par un long arbre reliant la pompe au moteur. Dans les deux cas, une

conduite de refoulement après la pompe permet des élévations de plusieurs dizaines de

mètres, selon la puissance du moteur.


Figure (III.11): Pompe immergée. [29]

III-4-2-2 Les moteurs électriques :

A- Les types de moteurs :

Un moteur électrique est un dispositif électromécanique permettant la conversion

d'énergie électrique en énergie mécanique. La plupart des machines électriques

fonctionnent grâce au magnétisme, il existe deux types de moteurs : à courants continu et

alternatif. [38]

A-1 Moteur à courant continu :

L’énergie électrique appliquée à un moteur est transformée en énergie mécanique en

variant le sens du courant circulant dans un induit (habituellement le rotor) soumis à un

champ magnétique produit par un inducteur (habituellement le stator). La commutation du

courant dans le rotor d’un moteur à courant continu est effectuée à l’aide de balais composés

de charbon et de graphite ou par commutation électronique.


Figure (III.12): Schéma synoptique simplifié du pompage PV par motopompe DC. [38]

A-1-1 Moteurs à balais :

Sont les plus communs, mais leurs balais doivent être changés périodiquement. Ceci est

particulièrement problématique dans le cas des pompes à moteur immergé où la pompe doit

être retirée du forage pour changer les balais. De plus, l’isolation du moteur ne doit pas être

compromise afin de ne pas la fragiliser aux infiltrations d’eau, ce qui n’est pas évident sur le

site. Certains manufacturiers offrent des moteurs à balais de longue durée, réduisant cet

entretien à toutes les 5 000 heures de fonctionnement.

A-1-2 Moteurs sans balais :

Ce type de moteur électrique comporte non seulement les avantages des moteurs à

courant continu mais également ceux des moteurs à courant alternatif : fort couple au

démarrage et durée de vie élevée (due à l’absence des paliers et des balais) mais leur

utilisation reste limitée à des faibles puissances.

A-2 Moteur à courant alternatif :

Le moteur à courant alternatif est utilisé de plus en plus pour les systèmes de pompage

photovoltaïque. Le coût peu élevé du moteur, son faible besoin de maintenance et l’efficacité

accrue des onduleurs solaires le rendent particulièrement attrayant pour les systèmes de

pompage plus importants où le coût additionnel de l’onduleur est moins significatif.


Le moteur est alimenté par un onduleur (convertisseur DC/AC) qui assure l’optimisation

du générateur PV voir figure.

Figure (III.13): Diagramme du pompage PV par motopompe à AC. [38]

III-4-3 L’électronique de commande et de contrôle :

III-4-4-1 L’onduleur :

Les onduleurs sont des équipes qui transforment la tension continue fournie par les

modules en une tension différente, soit continue d’une autre magnitude (onduleurs

DC/DC) ou soit alternative (onduleurs DC/AC, qui sont les plus communs) .[28]

A- Onduleurs DC/AC :

Les systèmes solaires produisent de l’énergie électrique en courant continu mais

beaucoup d’électrodomestiques et de récepteurs fonctionnent avec le courant alternatif.

Dans les installations solaires photovoltaïques connectées au réseau électrique, l’onduleur

doit non seulement transformer le courant continu du générateur photovoltaïque en courant

alternatif.

B- Onduleurs DC/DC

Utilisé dans le cas d’une pompe montée à un moteur à courant continu.

Ils sont nécessaires afin de diminuer ou d’augmenter la tension en CC des récepteurs qui

fonctionnent en CC. La plupart des convertisseurs offrent des tensions suivantes : 1,5 V ; 3 V

; 4,5 V ; 6 V ; 7,5 V ; 9 V ; 12 V ; 24 V.


C- Caractéristiques de fonctionnement les plus importants :

Tension et courant d’entrée/sortie.

Forme de l’onde.

Limites de la tension d’entrée.

Basse de consommation et leur rendement.

Puissance de sortie.

Capacité de surcharge (important quand il a accès au moteur).

Facilité de réparation et la maintenance.

Fonctionnement dans les points de puissance maximale.

Conditions ambiantes (température de fonctionnement).

III-4-4-2 La batterie : [41]

La batterie a pour fonction le stockage d’une partie de l’énergie produite par les panneaux

(c’est-à-dire, la portion d’énergie qui n’est pas immédiatement consommée) afin qu’elle soit

disponible dans des périodes où le rayonnement solaire est faible ou inexistant. Le stockage se

fait sous la forme d’énergie électrique à travers l’usage de batteries, normalement de plomb

acide. Une batterie est composée par l’association en série de plusieurs « éléments » ou

«cellules », chacun d’eux comprenant deux électrodes de plomb dans une dissolution

électrolytique. Entre les deux électrodes, une différence de potentiel de près de deux volts est

établie, et la valeur instantanée dépend de l’état de charge de la batterie. Les batteries les plus

utilisées pour les applications photovoltaïques sont de 12 ou 24 volts de tension nominale.

III-4-4-3 Le régulateur de charge : [29]

Il implique une vigilance continue pour éviter les surcharges et les décharges profondes

que la batterie peut produire.

Fonction :

Protection de la batterie contre les situations extrêmes afin de ne pas l’endommager.

Fonctionnement :

Prendre de l’information sur l’état de charge du système et la comparer avec les valeurs

maximales et minimales admissibles pour que la batterie n’endure pas de surcharges ou de

décharges extrêmes.


III-4-4 La partie stockage :

Il existe deux façons de stockage d'énergie: le stockage d'énergie électrique ou le stockage

d'eau où l'eau en excès peut être pompée dans des réservoirs de stockage ou des étangs situés

en hauteur afin de garantir la disponibilité d'eau par voie gravitaire en cas de couvert nuageux.

le système de stockage avec batterie génère un coût additionnel, des problèmes de

maintenance de la batterie et de l’obligation de la remplacer après 3 à 5 ans d’usage. De plus,

le rendement énergétique est meilleur quand il n'y a pas d'accumulateurs. Le réservoir peut

souvent être construit localement et la capacité de stockage peut varier d’un à plusieurs jours.

Ce réservoir ne requiert pas un entretien complexe et est facile à réparer localement.

III-5 Les techniques de pompages PV :

Pour pomper l’eau avec un système photovoltaïque (autonome), deux méthodes sont

possibles :

Dans la première technique, l’énergie solaire est consommée en « temps réel » ; On

parle alors d’un « pompage au fil du soleil ». Cette solution nécessite un stockage de l’eau

dans un réservoir (l’eau pompée pendant la journée est stockée afin d’être utilisée plus tard, le

soir par exemple).

La deuxième méthode consiste à utiliser un stockage de l’énergie, cette fois-ci, via

des batteries. L’énergie stockée la journée peut être utilisée plus tard pour pomper l’eau. [29]

III-5-1 Pompage « au fil du soleil (sans batterie) » : [42]

Comme on va le constater, la méthode de pompage « au fil du soleil » permet d’avoir un

système photovoltaïque plus simple, plus fiable et moins coûteux qu’un système utilisant des

batteries pour stocker de l’énergie d’abord. En effet, dans cette première technique,

c’est l’eau elle-même qui est pompée et stockée lorsqu’il y a suffisamment d’ensoleillement.

On parle alors d’un stockage hydraulique. L’eau est stockée dans un réservoir à une hauteur

au-dessus du sol pour qu’elle soit, au besoin ensuite, distribuée par gravité. Il faut bien

signaler ici que le réservoir d’eau peut souvent être construit localement. En plus, il ne

requiert pas un entretien complexe et peut être réparé localement. La capacité de stockage

peut varier d’un à plusieurs jours selon les modèles.


Figure (III.14) : Schéma du principe de pompage au fil du soleil. [43]

III-5-2 Pompage avec batteries : [42]

La méthode de pompage d’eau en utilisant l’énergie stockée sur des batteries peut avoir

l’avantage de garantir une stabilité d’alimentation des équipements (système présente

l'avantage d'un débit régulier, la possibilité de pomper lorsque le soleil est absent). L’énergie

emmagasinée pour être utilise aussi pour d’autres besoins ultérieures. L’inconvenant majeur,

voir handicapant, de cette technique est qu’elle comporte plusieurs composants qui influent

négativement sur la fiabilité et le coût global du système. En effet, les batteries sont fragiles et

sont souvent les premiers éléments qui auront besoin d’être changés. Elles nécessitent, en

outre, un entretien constant et un contrôle rigoureux de leur charge et décharge. Les

contrôleurs utilisés pour régulariser la charge et la décharge des batteries vieillissent

rapidement et peuvent s’avérer non fiables. Les batteries introduisent également un certain

degré de perte de rendement d’environ 20% à 30% de la production d’énergie.


Figure (III.15): Schéma du principe de pompage avec stockage d’énergie. [43]

III-6 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons présente les techniques de pompages PV. On présent

également les principaux constitutions d’un système de pompage PV avec leurs

fonctionnements.

Chapitre IV

Installation d’un system PV Appliquée sur le site agricole

IV-1 Introduction :

Dans ce chapitre nous avons détaillé le dimensionnement d’un système de pompage PV

fonctionnant par la méthode dite « au fil de soleil » (autonome sans batterie), et nous avons

choisi le system PVsyst pour la simulation de notre projet.

Le stockage de l’eau est réalisé par le bais d’un réservoir afin d’irriguer une surface d’un 3

hectare. Nous avons choisi la zone de Tamanrasset, cette région est caractérisée par un climat

saharien sec. L’évaporation est très élevée et atteint en moyenne 4187 mm/an. La pluviométrie

moyenne est de 20 mm/an, un fort ensoleillement et des ressources importantes d’eau

souterraine.

IV -2 Dimensionnement complet de l’installation PV:

Le dimensionnement du système de pompage photovoltaïque concerne essentiellement le

calcul de la puissance crête du générateur photovoltaïque, le choix de la pompe et le

choix du contrôleur répondants au service requis dans les conditions de référence. La

démarche analytique adoptée dans le cadre de notre étude s’articule autour de trois étapes

suivantes [44] [45] :

Besoins journaliers en eau.

Détermination d’énergie solaire disponible sur le site de l’étude.

Choix des composants.

Cette étude permet de déterminer et de faire le choix des différents composants : Le panneau

solaire, la pompe et le convertisseur d’une station de pompage solaire au fil du soleil.

IV-2-1 Estimation des besoins en eau

Les besoins d’eau pour l’irrigation dépendent du type de culture, de la méthode d’irrigation

et des facteurs météorologiques (la température, l’humidité, la vitesse du vent,

l’évapotranspiration du sol, et la saison de l’année en question) [46].

Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole

IV-2-3 Détermination de l’énergie solaire disponible

La méthode de dimensionnement utilisée est basée sur les calculs des valeurs moyennes

journalières mensuelles de l’irradiation solaire disponible à l’inclinaison des modules

photovoltaïque (PV) par rapport au plan horizontal. Ce dernier doit se faire de manière à

optimiser la conversion de l’énergie solaire en électrique.

IV-2-4 Choix des composants :

IV-2-4-1 Choix de réservoir d’eau :

a-1 La capacité du réservoir :

Le stockage de l’eau est effectué dans un réservoir. La capacité de ce dernier est calculée

pour répondre au besoin d’eau pendant les jours d’autonomie. Celui-ci varie d’un à plusieurs

jours. Il est calculé par la formule suivante :

(IV.1)

Avec :

: Le volume du réservoir.

d : Le diamètre du réservoir.

: La hauteur du réservoir.

a-2 Technique de pompage PV

Pompage « au fil du soleil (autonome sans batterie) ».

IV-2-4-2 Choix de la pompe

b-1 Donnée de base de la pompe [41]

Les données nécessaires pour dimensionner la pompe solaire sont le débit d'exploitation et la

hauteur à laquelle la pompe devra refouler. Celle-ci est majorée par des pertes de charges et de

la pression de refoulement dans la conduite.


b-2 Le débit :

Le débit ( ) est la quantité d’eau fourni par une pompe durant un intervalle de temps donné.

En pompage solaire, le débit (ou le besoin en eau) est souvent exprimé en par jour.

b-3 Débit horaire :

Il est calculé par la formule suivante :

[ / ] (IV.2)

Avec :

: Le nombre d’heures d’ensoleillement maximal.

: Le volume d’eau besoin.

A partir, le débit, la hauteur manométrique et le rendement, on va choisir la pompe.

b-4 La hauteur manométrique totale

C’est la différence de pression en mètres de colonne d’eau entre les orifices d’aspiration et

de refoulement. Cette hauteur peut être calculée comme suit :

(IV.3)

Où:

: Hauteur géométrique entre la nappe d’eau pompée (niveau dynamique) et le plan

d’utilisation (voir Figure 3.1). Elle est calculée par la formule suivante :

(IV.4)

: Pertes de charge produites par le frottement de l’eau sur les parois des conduites. Elles

s’expriment en mètres d’eau et elles sont fonction de la distance des conduites (D), de leur

diamètre et du débit de la pompe.


b-5 Niveau statique :

Le niveau statique d’un puits ou d’un forage est la distance du sol à la surface de l’eau avant

pompage.

b-6 Niveau dynamique :

Le niveau dynamique d’un puits ou d’un forage est la distance du sol à la surface de l’eau

pour un pompage à un débit donné. Pour le calcul de la HMT, le niveau dynamique est calculé

pour un débit moyen.

Figure (IV-1) : Hauteur manométrique total. [47]

b-7 Calcul de l’énergie hydraulique nécessaire [29]

Une fois on connait le débit, le calcul de l’énergie de la pompe à travers l’application de

l’équation de la dynamique permet d’avoir la puissance hydraulique de la pompe exprimée en

Watts à partir de la relation :

(IV.5)

Avec :

: Energie hydraulique de la pompe, exprimée en pascale.

: Débit volumique ( / ).


IV-2-4-3 Choix du générateur PV [48]

Selon la puissance demandée par la pompe et l’irradiation journalière incidente sur le plan

du générateur qui permet de convertie l’énergie solaire en énergie électrique sous forme de

tension et de courant continu. On va suivre les étapes suivant :

1. Déterminer la puissance crête P nécessaire au fonctionnement de la pompe par la

méthode analytique.

2. Choisir le type de panneau solaire (définir leur puissance nominale Pm)

3. Déterminer le nombre de panneaux.

4. Déterminer le nombre de module série / parallèle (la forme de connexion).

A- Détermination la puissance crête :

A-1 La puissance crête : Puissance électrique maximum que peut fournir le module dans les

conditions standards (25°C et un éclairement de 1000 W/m²).

A-2 Détermination la puissance consommée par jour (la pompe) :

(IV.6)

Où :

t : est le temps d’utilisation journalier.

P : la puissance électrique d’entrée mesurée en w et donnée par la fiche de pompe choisie.

: Le rendement de l’onduleur.

La puissance crête que doit fournir par le générateur PV est calculée par l’expression

suivante : [20]

=

(IV.7)

Avec :

(Wc) : la puissance crête du générateur PV.

(Wh/j) : énergie journalier consommée par l’installation.

: [kWh/m²/jour) : irradiation journalier moyenne du mois défavorable.

: Coefficient correcteur, généralement compris entre 0.55 et 0.75.


A-3 Détermination la puissance nominale du module ( ) [49]

(IV.8)

Avec :

: Courant circuit ouvert maximal du module de 22 V dans les modules qui fonctionnent

avec 12 V.

: Courant de court-circuit.

Après le calcul de la puissance du générateur PV, on détermine le nombre de modules

constituants le générateur suivant la puissance du module PV choisie. Tel que l’énergie fournie

par les panneaux solaires en une journée doit être égale à l’énergie journalière consommée par

la pompe.

A-4 Nombres de modules [48]

Le nombre total de modules ( ) constituant le générateur PV est calculé par la formule

suivante :

ê

(IV.9)

Avec :

La puissance crête du générateur.

: La puissance du module PV.

Choix des panneaux solaires PV il est obligatoire de connaître la tension de fonctionnement

de la pompe avant de définir le type et le nombre de panneaux solaires ainsi que leur couplage.

A-4-1 Nombre de modules en série [48]

Pour trouver la tension convenable à l’alimentation d’une charge donnée par la mise en série

de plusieurs modules PV, le nombre de ces modules est calculé par l’expression suivante :

(IV.10)

Avec :

La tension nominale de la charge (l’onduleur).


La tension nominale du module.

Toujours utiliser ensemble des panneaux solaires de même marque, de même puissance.

A-4-2 Nombre de modules en parallèle :

La mise en parallèle de modules donne l’intensité nécessaire à la charge. Le nombre de

modules en parallèle est calculé par l’équation suivante :

(IV.11)

IV-2-4-4 Choix de convertisseur DC/AC (onduleur) :

Le convertisseur DC/AC a pour rôle, la conversion du courant continu CC produit par les

panneaux en courant alternatif AC.

A-1 Caractéristiques de fonctionnement les plus importantes :

Tension et courant d’entrée/sortie.

Limites de la tension d’entrée.

Basse de consommation et leur rendement.

Puissance de sortie.

IV-3 Simulation par PVsyst :

IV-3-1 Présentation de PVsyst :

PVsyst est un logiciel conçu pour être utilisé par les architectes, les ingénieurs et les

chercheurs, mais c’est aussi un outil pédagogique très utile. Il inclut une aide contextuelle

approfondie, qui explique en détail la procédure et les modèles utilisés et offre une approche

ergonomique avec guide dans le développement d’un projet. PVsyst permet d’importer des

données météo d’une dizaine de sources différentes ainsi que des données personnelles.

PVsyst V7.0.12 proposes 3 niveaux d'étude du système PV, Ce qui correspond à peu

près aux différentes étapes du développement du projet réel:


Figure (IV.2): Menu principal de logiciel PVsyst.

IV-3-2 La conception préliminaire :

Le logiciel PVsyst permet le pré dimensionnement d’un projet, première évaluation des

dimensions du système et de son composant le pré dimensionnement concerne trois systèmes :

Couplé au réseau

Isolé avec batteries

Pompage

IV-3-3 Conception du projet :

Conception et dimensionnement final du projet dans cette option on a :

Etude et analyse détaillés d’un projet

Calcul de la production à partir de simulations détaillées en valeurs horaires.

Différentes variantes peuvent être simulées et comparées

Analyse détalée des pertes du système

Evaluation économique, selon les composants réels.

Pour les systèmes de pompage, plusieurs conceptions de système peuvent être testés et

comparés les unes aux autres, avec une analyse détaillée des comportements et de

l'efficacité. Les résultats comprennent plusieurs dizaines de variables de simulation, qui


peuvent être affichées dans les valeurs mensuelles, quotidiennes ou horaires, et même

transférés à d'autres logiciels.

Le "Diagramme de perte " est particulièrement utile pour identifier les faiblesses de la

conception du système.

Un rapport d'ingénieur peut être imprimé pour chaque exécution de la simulation, y

compris tous les paramètres utilisés pour la simulation, et les principaux résultats.

IV-3-4 Présentation de projet:

Dans ce projet, nous avons présenté une installation de pompage photovoltaïque pour

alimenter un site agricole. Le site étudié est situé au niveau de la commune de Tamanrasset,

wilaya de Tamanrasset.

IV-3-5 Données géographique de site :

Latitude

22.78° N

Longitude

5.52° E

Altitude

1377 m

Albédo

0.2

Tableau (IV-1) : Données géographique de site Tamanrasset.

Figure (IV.3) : Carte géographique de la wilaya de Tamanrasset.


IV-3-6 Coordonnée géographique :

Figure (IV.4): Coordonnée géographique de Tamanrasset.

IV-3-7 Données météorologiques :

Figure (IV.5): Paramètres climatique de Tamanrasset.


Ces données résument les caractéristiques climatiques (l’irradiation et la température)

du site de Tamanrasset, Il est conseillé de définir soigneusement la source des données:

PVGIS: (Photovoltaic Geographical Information System) Fournit un accès sur

l’Internet aux données sur le rayonnement solaire et la température et aux outils

d'évaluation de la performance PV pour n'importe quel endroit en Europe et en Afrique, ainsi

que dans une grande partie de l'Asie.

IV-3-8 Conception de projet:

On retrouve ici le même fonctionnement que dans "preliminary design" mais avec beaucoup

plus de paramètres. Encore une fois, on choisit le type d'installation : connecté au réseau,

déconnecté du réseau, système de pompe solaire ou connecté à un réseau continu.

On aura plus d'étapes : choix du projet et de ses variables, orientation du panneau solaire,

définition de l'horizon (ombre lointaines), définitions des ombres proches, définition du

système et enfin les résultats.

Figure (IV.6): Conception de projet.


IV-3-9 Les étapes de conception d’un système de pompage photovoltaïque :

A-1 Profil de l'horizon:

Un profil de l'horizon est une ligne brisée superposée sur le diagramme de trajectoire du

soleil, qui peut contenir un nombre quelconque de hauteur /points d'azimut.

Figure (IV.7) : horizon du Tamanrasset.

A-2 Orientation des modules PV:

Pour notre simulation, nous avons choisi un plan incliné fixe d’une inclinaison 30° (par

rapport à l’horizontale) comme l’illustre la figure (IV.7), c’est l’inclinaison optimale donnée

par le logiciel PVSYST, en dehors de cette dernière le rendement diminue.


Figure (IV.8): Angle d’orientation.

Le facteur transposition: est le rapport de l'irradiation incidente (GlobInc) sur le plan,

à l'irradiation horizontale (GlobHor). C'est-à-dire ce que vous gagnez (ou en vrac) lors de

l'inclinaison du plan du capteur.

A-3 Définition des besoins de l’utilisateur :

A-3-1 Circuit hydraulique de pompage :

Le stockage de l’eau est réalisé par le bais d’un réservoir afin d’irriguer une surface de 3

hectares.


Le circuit hydraulique de pompage il contient :

Le type de système (autonome sans batterie)

Les caractéristiques du forage.

Les caractéristiques du réservoir.

Le circuit hydraulique.

Figure (IV.9) : Circuit hydraulique de pompage.

Par défaut pour les petits systèmes, cela est proposé comme une liste des appareils ménagers

et les détails de leur utilisation (peut être saisonnière ou mensuelle).

Le dimensionnement commence par la détermination des besoins en eau exprimée en mètres

cubes par jour, Pour notre étude de simulation les besoins journaliers moyens mensuels en eau

est de 100 ⁄ .


Figure (IV.10): Détermination des besoins en eau.

A-3-2 Détermination de la puissance hydraulique

La puissance hydraulique est exprimée par la relation :

= (IV.12)

Figure (IV.11) : La puissance hydraulique.


A-4 Choix de la pompe

On va choisir la pompe qui répond mieux aux conditions qu’on a défini en

dimensionnement :

Débit horaire

16.02 ⁄ (IV.13)

Déterminations de nombre d’heures d’ensoleillement maximal :

=

(IV.14)

La hauteur manométrique

(IV.15)

0

Figure (IV.12) : Définition de la pompe.


Caractéristique de la pompe (Annexe A) :

Modèle: PSK2-15 C –SJ17-18.

Technologie pompe : centrifuge multi-étages.

Type de pompe : immergé.

Puissance maximale : 15 kW.

Le débit : 16.02 m3/h.

Tension MPP minimale : 500 V.

Tension MPP maximale : 850V.

Hauteur maximale : 40-140m.

Rendement: 55.50%.

N.B : Dans ce carré logiciel affiche les avertissements en orange indiquent des

imperfections de conception, mais le système est toujours acceptable et les erreurs en rouge

signifient des erreurs graves, qui empêcheront l'exécution de la simulation.

Figure (IV.13) : Carré d’affichage les erreurs et les avertissements.


A-5 Choix de convertisseur (onduleur)

Le choix de l’onduleur dépend des caractéristiques électriques de la pompe alimentée

(puissance, tension).

Figure (IV.14) : Type de l’onduleur.

A-5-1 Caractéristique de l’onduleur (Annexe B)

Tension MPP minimale : 500 V.

Tension MPP maximale : 850V

Courant d’entrée maximum : 24 A.

Puissance : 15 KW.

Rendement : 98 %.


Détermination de la puissance consommée par jour (la pompe) :

=

A-6 Taille du générateur PV :

Selon la puissance demandée par la pompe et l’irradiation journalière incidente sur le plan

du générateur qui permet de convertie l’énergie solaire en énergie électrique sous forme de

tension et de courant continu , dans notre cas on choisira une inclinaison de (30°) par rapport

latitude de lieu Tamanrasset, la face des panneaux doit être orientée vers le sud ,pour profiter

du soleil tout la journée .

Choix des panneaux solaires PV il est obligatoire de connaître la tension de fonctionnement

de la pompe (Vch500-850V) avant de définir le type et le nombre de panneaux solaires ainsi

que leur couplage.

A-6-1 Le type de module PV pour l’application similaire :

Pour notre simulation le modèle (LR5-72 HPH 540M Longi solar) qui répond mieux à cette

condition a les caractéristiques suivant :

Figure (IV.15) : Le type de module PV.


Caractéristique du module PV (Annexe C) :

Modèle: Si-mono LRS-72 HPH 540 M- mono-crystalline

Fabricant : Longi Solar.

Nombre de cellule : 72.

= 541.1 W.

= 13.8 A.

= 41.0 V.

= 13.85 A.

= 49.5 V.

Rendement: 23.34%.

La puissance nominale que doit fournir par le générateur PV est calculée par l’expression

suivante [20] :

=

(IV.16)

(Wc) : la puissance crête du générateur PV.

(Wh/j) : énergie journalier consommée par l’installation.

(kwh/m²/jour) : irradiation journalier globale du mois (avril G=7.46kwh/m²/jour).

: Coefficient correcteur, généralement compris entre 0.55 et 0.75. Dans notre cas on prend

la moyenne 0.65.

=

(IV.17)

Détermination de la puissance nominale du module (Pm) :

(IV.18)

Après le calcul de la puissance du générateur PV, on détermine le nombre de modules

constituants le générateur suivant la puissance du module PV choisie.


Figure (IV.16) : détermination de nombre de modules en série et en parallèle.

IV-6-2 Nombres de modules :

Le nombre total de modules (Nm) constituant le générateur PV est calculé par la formule

suivante :

ê

(IV.19)

IV6-3 Nombre de modules en série :

(IV.20)

IV6-4 Nombre de modules en parallèle :

La mise en parallèle de modules donne l’intensité nécessaire à la charge. Le nombre de

modules en parallèle calculé par l’équation suivante :

=

(IV.21)


Le nombre de modules PV en série 15 modules et en parallèle 2 chaînes, le nombre total de

modules PV est 30 modules.

Toujours utiliser ensemble des panneaux solaires de même marque, de même puissance.

Montage en série des panneaux : On augmente la puissance et la tension, on garde le même

courant. Montage en parallèle des panneaux : On augmente la puissance et le courant, on garde

la même tension.

IV-6-5 Evolution de la puissance en fonction de la tension :

Avec des conditions d’irradiation différentes, le résultat de simulation de l’évolution de la

puissance p=f(v) est donné dans la figure (IV-17).

Figure (IV.17) : Evolution de la puissance en fonction de la tension dans des conditions

d’irradiation différentes.

Ce graphe montre que si l’irradiation et la tension augmente, la puissance augmente aussi.


IV-6-6 Influence de l’éclairement sur les caractéristiques externes du module :

Pour faire une étude sur l’influence de l’éclairement sur les caractéristiques externes du

panneau, on fixe la température à 45°C et on fait varier seulement l’éclairement.

La figure(IV-18) présente des courbes pour différents niveaux d’éclairements.

Figure (IV.18) : L’effet de l’irradiation sur la caractéristique I-V.


Figure (IV.18) : L’effet de de température et l’irradiation sur l’efficacité.

On remarque une bonne efficacité à Pmax qui vaut 1000 W/m² et la température

10 C .

IV-7 L’exécution de la simulation :

On a lancé notre simulation et on a obtenu les résultats principaux, diagramme des pertes

comme montre la figure (IV.19) et un rapport final de notre simulation (Annexe D).


Figure (IV.19) : les résultats principaux.

Evaluation de la production normalisée :

La prédiction du système (à la sortie du stockage : Yf) est représentée sur la figure

(IV.20). Les pertes Lc, Ls et Lu sont les pertes correspondantes au champ PV, les pertes de

système de stockage et l’énergie non utilisée, respectivement. En effet, Il y a des pertes lors de

la collection de l’irradiation solaire cette perte vaut 0,97 kWh/j, des pertes système de l’ordre

de 0,31 kWh/j, et enfin l’énergie produite à la sortie de la pompe est de 3,96 kWh/j.

La quantité d’énergie inutilisée est moindre en période d’été et elle est plus importante en

hiver. Les pertes de collection de l’irradiation solaire et les pertes système sont faible de mois

de novembre au mois de mars, et ils sont plus importants les autres mois de l’année. Le résultat

est illustré par la figure (IV.20).


Figure (IV.20): Les productions normalisées.

Les pertes liées à la qualité du module sont en grande partie enregistrées en période d’été,

qui s’explique par la hausse des températures en cette saison.


Diagramme de température en fonction d’irradiation effective

Figure (IV.21): Diagramme journalier Entrée/Sortie.

On note que plus la température est élevée plus on a une l’augmentation du rayonnement

globale.

Energie effective en sortie des modules

On donne l’énergie effective en sortie des modules dans la figure (IV.22)

Figure (IV.22): Distribution de l’énergie effective en sortie des modules.


Le graphe de distribution de la puissance en sortie des modules définit un profil horaire au

cours de la journée, il suit exactement la même distribution du rayonnement incident, à une

échelle évidemment différente.

Performance ration :

La figure (IV.22) représente l'indice de performance (Performance Ration) qui est le

rendement de globale du système défini par le rapport de rendement réel du système par le

rendement nominal du système tel que :

Figure (IV.23) : Indice de performance.

Dans ce cas l'indice de performance et : 57.4 %

La valeur typique est de 0,50 à 0,65. Alors le système qui a été installé fonctionne très bien.


Diagramme journalier Entrée/Sortie

Le diagramme journalier Entrée/Sortie représente l’Energie effective en sortie des

modules/Irradiation journalière globale incidente. Il est donné par la figure- (IV.24) ci-dessous ;

Figure (IV.24): Diagramme journalier Entrée/Sortie.

Interprétation des Résultats

Le lancement de la simulation nous permet d'accéder aux différents résultats de la

conception de notre système photovoltaïque « Mini Centrale » d'une puissance de 225kWc à

50°C. Le système photovoltaïque se compose de 60 chaines et chaque chaine contient 16

panneaux en série d'une puissance unitaire de panneau de 278 Wc, la surface occupée par ce

système est de 1862m 2

et la surface des cellules est de 1682m 2

. L'onduleur choisi a une

puissance de 250 kW AC, avec une tension de fonctionnement entre 450 et 800V, cette gamme

de tension permet à l'onduleur de fonctionner dans les différentes variations de la production en

fonction de la tension due à la variation de l'irradiation et de la température. Le champ


photovoltaïque est exposé au plusieurs paramètres de dégradation qui est interprété par des

facteurs de perte comme :

Perte ohmique de câblage : 1.5% au STC

Encrassement du champ : 3%

Perte de qualité module 1.5%

Perte de « Mismatch » modules : 2% au MPP

Le besoin d'utilisation : charge illimitée (toute la production est injecté dans le réseau

électrique donc sans stockage).

Diagramme des pertes sur l’année entier :

Figure (IV.26) : Diagramme des pertes sur l’année entier.


Le diagramme résume les pertes de la production de système PV à savoir : les pertes

dues à la température du champ, pertes dues, perte pour qualité modules,…etc.

L'énergie solaire quand elle arrive sur le panneau avec la conversion photovoltaïque et le

rendement du panneau on a des pertes d'énergies donc la production diminue à la sortie du

panneau on a aussi les pertes dues au pertes ohmiques du câblages pertes dues à la température

du champ, on a aussi des pertes de l’onduleur donc l'énergie à l'entrée et à la sortie n'est pas la

même à cause des pertes et ces pertes influencent négativement la production.

IV-8 Maintenance et instruments de mesure :

Les composants photovoltaïques nécessiteront des opérations de maintenance et surtout

pour s’assurer le bon fonctionnement du système.

Il y a deux niveaux de maintenance :

- Le premier concerne le petit entretien qui doit être effectué régulièrement par l’usager. Il

s’agit de nettoyer les modules, vérifier l’absence d’ombres portées sur les modules, Il faut

s’assurer que ces tâches sont à la portée de l’usager et qu’elles sont effectuées correctement et

régulièrement.

- Le second concerne une maintenance plus poussée effectuer par un technicien qualifié et

équipé d’outils appropriés. Il s’agit de vérifier les principaux composants du système. Cette

maintenance doit être effectuée tous les 6 mois.

Procédure de maintenance du panneau solaire :

1. Nettoyez avec de l’eau, tôt le matin ou tard le soir (évitez savon ou détergents).

2. Vérifiez si le panneau est toujours fixé, orienté et incliné correctement.

5. Vérifiez si l’arrière du panneau n’est pas encombré de nids d’oiseaux ou d’insectes.

6. Vérifiez si la ou les boites de jonction son bien étanches.

7. Dans le cas où le support du module est relié à terre vérifiez sa continuité depuis le module

jusqu’au piquet de terre.

8. Resserrez toutes les connexions Instruments de mesure nécessaires· Équipements

nécessaires.


Procédure de maintenance et instruments de mesure de l’onduleur :

En ce qui concerne le test de l’onduleur, il est recommandé de suivre les pas suivants pour

Vérifier le bon fonctionnement de l’onduleur.

· Vérification du câblage et nettoyage des bornes.

· Vérification de l’alimentation

· Vérification de la sortie

· Mesure électrique de l’autoconsommation, en vérifiant que l’autoconsommation se trouve

dans les limites définies par le fabricant.

Pour pouvoir vérifier ce qui précède, le mieux est de disposer d’un polymère digital et de

mesurer le courant et la tension à l’entrée et à la sortie.

Procédure de maintenance câblage :

Les raccords entre conducteurs se font via des boîtes de connexion.

Recommandation pour les récepteurs, Chaque type de récepteur a des besoins spécifiques

d’entretien et il n’est pas possible de détailler chacun d’entre eux, toute fois, d’une manière

générale :

En ce qui concerne le câblage, il faut prendre en compte les aspects suivants :

- Les câbles doivent avoir une protection appropriée contre l’intempérie.

- La pose des câbles doit respecter les normes de sécurité et d’installation en vigueur dans le

pays en question (câbles de différentes couleurs selon la polarité, etc.).

- Vérifiez si de nouveaux récepteurs ont été connectés, en plus de ceux initialement prévus.

-Nettoyez et dépoussiérez les différents récepteurs (ex : la pompe) et resserrez toutes les

connections.

-L’appareil et sa tension d’alimentation, et en déduire la puissance (P=UxI) et comparé avec

les indications indiquées au dos de l’appareil.

- Pour les onduleurs, mesurez la tension CA du signal de sortie.


- Assurez-vous que les câbles sont tous bien fixés.

IV-9 Conclusion :

Dans ce chapitre, nous avons présenté les étapes nécessaires pour concevoir un système

Pompage photovoltaïque autonome sans batteries avec leurs caractéristiques de base ainsi que

les effets de l'éclairement sur les caractéristiques externes du module. Ainsi que le

dimensionnement de chaque élément du système.

Nous avons dimensionné l’installation de notre système en fonction des besoins

énergétiques.

Le logicielle PVsyst permet de simuler un système de pompage photovoltaïque avec une

prise en compte de tous les aspects: pertes, emplacement géographique,...etc. Ceci a

permis de faire une meilleure estimation des pertes qui peuvent affecter le rendement global.

Nous avons essayé de minimiser les différentes pertes ce qui permet de faire certains choix

surtout les dimensions, telles que les hauteurs et les longueurs des conduites. Le pompage

photovoltaïque autonome est une solution intéressante pour les sites isolés

Conclusion générale

Conclusion Générale

Comme nous l’avons déjà signalé le travail présenté dans ce mémoire s’inscrit dans le cadre

d’un projet visant Analyse d’un system pompage photovoltaïque appliquée sur un site

agricole .

D’abord, La demande d’énergie électrique, essentiellement pour les besoins des sites isolés,

les systèmes de pompage d’eau, L’utilisation de l’énergie solaire pour pomper l’eau se

présentent comme une solution idéale pour l’alimentation en eau pour ces sites isolés car

l'énergie solaire est une énergie propre, silencieuse, disponible, gratuite et inépuisable, mais

aussi très propre pour l’environnement.

Après avoir passé en revue quelques données astronomiques nécessaires, quelques notions

sur le gisement solaire comme la géométrie solaires, les données astronomiques, le

rayonnement global et le spectre solaire, Pour déterminer la position du soleil, la quantité

effective de la densité du flux solaire incident dans le site isolé.

L’utilisation de l’énergie solaire dans les sites isolés pour différents applications telles que

le pompage d’eau présent un intérêt très important.

Pour mieux analyser, Nous avons montré aussi comment nous pourrions optimiser la

puissance fournie par le GPV pour tirer le maximum de puissance électrique disponible au

niveau du générateur PV.

Ainsi nous avons présenté les résultats d’une installation d’un system de pompage

photovoltaïque autonome (sans batterie) appliquée sur le site de Tamanrasset pour des besoins

donnée. Nous avons présenté les différents éléments de ce system et leur dimensionnement qui

sont : un générateur photovoltaïque, une pompe et un onduleur. Ensuite nous avons utilisé

logiciel PV pour essayer de minimiser les différent pertes ce qui permet de faire certains choix

surtout les dimensions, telles que les hauteurs et les longueurs des conduites

Nous avons plus intéressons d’utiliser un stockage de l’eau dans des réservoirs

hydrauliques au lieu de stocker l’énergie électrique dans des batteries. Le système obtenu est

alors avec un fonctionnement naturel, Ce système de pompage solaire est conçu pour un

approvisionnement en eau dit « au fil du soleil ». C'est à dire une durée de pompage tout au

long de la journée.

Conclusion Générale

Page 114

Pour mieux analyser les contraintes de l’exploitation d’un système de pompage d’eau, nous

avons présenté plusieurs résultats obtenus d’une étude d’application d’une installation de

pompage photovoltaïque pour irriguer 3hectare de culture situé à Tamanrasset. Nous avons

montré que le site de Tamanrasset présente un climat favorable à ce type d’énergie nouvelle.

Tamanrasset est étendue sur une surface de plus de 557906 km² avec un ensoleillement le plus

fort en Algérie, ainsi que des ressources importantes d’eau souterraine. Une autre coïncidence

très importante favorise encore l’utilisation de ce type d’énergie pour le pompage d’eau à

Tamanrasset est que la demande d’eau, surtout dans l’agriculture,

Annexe

Annexe A

Figure 1: Les données générales de notre pompe.

Figure 2 : paramètre de la pompe .

Annexe B

Figure 1 : caractéristique du l’onduleur.

Annexe C

Figure 1 : caractéristiques de modules PV.

Figure 2 : Dimensions de modules PV.

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Documents