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REPUPLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIREMINISTRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE LARBI BEN M’HIDIOUM-EL-BOUAGHI

FACULTE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIQUESAIN BEIDA

DEPARTEMENT D’ELECTROTECHNIQUE

MÉ MOIRE DE FIN D’É TUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLOME MASTER ENELECTROTECHNIQUE-ELECTRONIQUE -AUTOMATIQUE

THEME

Modélisation d'un système

énergétique hybride

(Photovoltaïque + Batterie)

Proposé et dirigé : Présenté par :

elleM KEBAILI Salima FADLOUN Fadila

BELKADI Nawel

PRMOTION JUIN 2009/2010

Tout d’abord, nous remercions Allah de nous avoir donné la force physique et morale pour accomplir ce travail.

Nous remercions notre encadreur :

Melle Salima Kebaili

Nous remercions également nos professeurs qui nous enseignent durant les 4 ans et tous les profs d’institut

Electrotechnique.

S o m m a i r e

Introduction générale ...................................................................................................... 01

Chapitre I : Description d’un système d’énergie hybride

Introduction ....................................................................................................................... 03

I. Systèmes hybrides .......................................................................................................... 03

II. Différentes combinaison des systèmes hybrides .......................................................... 04

II.1.Système hybride photovoltaïque –éolien-diesel................................................. 04

II.2 Système hybride photovoltaïque-batterie et piles à combustible ....................... 05

II.3. Système hybride photovoltaïque –éolien .......................................................... 05

III. Différent types d’instalation des panneaux PV............................................................ 06

IV. Avantage et inconvénient d’un système hybride ........................................................ 07

Conclusion ......................................................................................................................... 08

Chapitre II : Modélisation d’un système hybride

Introduction ....................................................................................................................... 10

I. Structure de la chaîne de production de l’énergie PV .................................................... 10

II. Description des éléments d’un système hybride ........................................................... 10

II.1.Cellule photovoltaïque ...................................................................................... 11

II.2 Modelisation d’une cellule photovolatique ..................................................... 13

II.3 Groupement des cellules photovoltaïques ......................................................... 16

II.4 Influence de la variation des conditions atmosphérique ................................... 18

III. Modélisation des convertisseurs statiques .................................................................. 18

III.1 Modélisation d’un convertisseur DC-DC ........................................................ 18

III.2 Principe de fonctionnement .............................................................................. 19

V. Batterie d'accumulateurs .............................................................................................. 21

V.1 Caractéristiques électriques d’une batterie à plomb ......................................... 21

V.2 Schéma électrique d’une batterie ...................................................................... 22

V.3 Mode de fonctionnement d'une batterie ............................................................ 23

IV Chargeur d’une batterie ................................................................................................ 23

Conclusion ......................................................................................................................... 23

Chapitre III : Résultats &Simulation

Introduction........................................................................................................................ 25

I. Simulation d’un panneau photovoltaïque ....................................................................... 25

I.1 Caractéristique d’un panneau photovoltaïque ..................................................... 25

I.2 Influence de la variation des conditions métrologiques ...................................... 27

I.3 Association des cellules....................................................................................... 31

II. Simulation d’une batterie ............................................................................................. 34

II.1 Alimentation à courant constant......................................................................... 34

II.2 Alimentation à courant variable ........................................................................ 36

Conclusion ........................................................................................................................ 37

Conclusion générale ......................................................................................................... 39

Bibliographie

Introduction Générale

1

Introduction Générale

La consommation mondiale d’énergie ne cesse de croitre, posant des questions

cruciales sur le problème du réchauffement de la planète dû aux gaz à effet de serre

d’une part et sur l’épuisement des ressources fossiles d’une autre part. Suite à cette

prise de conscience, un développement économique respectueux de l’environnement

s’avère absolument nécessaire. En vu du rendre l’approvisionnement en électricité

plus écologique, de nouvelles sources d’énergies dites ‘’ énergie renouvelable’’ ont

émergé. Parmi ces énergies, on peut citer le photovoltaïque, l’éolienne…etc. Elles

sont disponibles en quantité supérieure aux besoins énergétiques actuels de

l’humanité et représentent par ailleurs une chance pour les régions isolées d’accéder à

l’électricité.

L’utilisation des sources d’énergie renouvelable induit le concept de stockage

d’électricité en raison de la disponibilité intermittente de telles ressources. Donc, la

combinaison des ces sources pour avoir un système d’énergie hybride peut constituer

une bonne alternative aux systéme mono-sources.

Le but poursuivi dans le cadre de ce mémoire est de faire une modélisation de

chaque composant constituant le systéme d’énergie hybride. Pour cela, le présent

travail sera structuré comme suit :

Dans le premier chapitre nous présenterons un petit aperçu sur les systèmes

hybrides de production d’énergie électrique. Notre travail portant sur la modélisation

d’un systéme hybride (photovoltaïque-batterie) qui se prête le mieux à une production

d’électricité en site isolé, qui est l’objet du second chapitre. Enfin, le dernier chapitre

présente l’ensemble des résultats de simulation obtenus au cours de cette étude. Dans

ce chapitre, on expose uniquement les résultats de simulation du panneau

photovoltaïque (source de production) et l’élément de stockage (batterie à plomb).

Chapitre I Description d’un système d’énergie hybride

3

Introduction

L’électricité est aujourd’hui la forme d’énergie la plus aisée à exploiter. Un

recours systématique aux carburants fossiles, tels que le pétrole, le charbon et le gaz

naturel pour les plus répandus, permet d’avoir des couts de production faibles mais

conduit à un dégagement massif de gaz polluant .En vue de rendre

l’approvisionnement en électricité plus écologique, de nouvelles sources dites

énergies renouvelables ont émergé. Les énergies renouvelables regroupent un certain

nombre de filières technologique selon la source d’énergie valorisé et l’énergie utile

obtenu .La filière utilisé dans notre travail est l’énergie solaire.

La combinaison de plusieurs sources d’énergies renouvelables permet

d’optimiser au maximum les systèmes de production d’électricité, aussi bien du point

de vu technique qu’économique. L’avantage d’un système hybride par rapport à un

système éolien pur ou photovoltaïque pur, dépend de beaucoup de facteurs

fondamentaux tel que, la forme, le type de la charge, le régime du vent, le

rayonnement solaire, le coût et la disponibilité de l’énergie, le coût relatif de la

machine éolienne, le champ photovoltaïque, le système de stockage électrochimique

et d’autres facteurs d’efficacité.

I. Systèmes hybrides

Les systèmes d’énergie hybrides (SEH) associent au moins deux sources

d’énergie renouvelable aussi une ou plusieurs sources d’énergie classiques. Les

sources d’énergie renouvelable, comme l’éolienne et le photovoltaïque, qui sont les

plus utilisés parmi les différents types des technologies des ressources renouvelables,

ne délivrent pas une puissance constante. Leur association avec des sources classiques

permet d’obtenir une production électrique continue. Les systèmes d’énergie hybrides

sont généralement autonomes par rapport aux grands réseaux interconnectés et sont

souvent utilisés dans les régions isolées. En plus des sources d’énergie, un système

hybride peut aussi incorporer des convertisseurs, des charges et des éléments de

stockage comme montre la figure1.1 [5].


4

Figure 1.1 Schéma synoptique du système hybride.

II. Différentes combinaison des systèmes hybrides

Il existe plusieurs combinaisons de systèmes hybrides, parmi lesquelles on

cite:

II.1.Système hybride photovoltaïque –éolien-diesel

Le système hybride rellie l’énergie photovoltaïque et/ou éolienne à celle

d’autres sources. En règle générale, il comporte l’éolienne ainsi qu’un groupe

électrogène d’appoint au diesel, au propane ou à l’essence. Un tel système peut

convenir dans le cas d’une résidence ou d’un immeuble commercial non connecté à

un réseau de distribution. La plupart des systèmes hybrides comportent une batterie

d’accumulateurs comme est illustré par la figure 1.2 [1]


5

Figure 1.2 Système hybride photovoltaïque-éolien-diesel.

II.2 Système hybride photovoltaïque-batterie et piles à combustible

Le générateur diesel dans ce système est remplacé par un système de pile à

combustible. La figure1.3 représente un système hybride constituer par deux éléments

de stockages pile à combustible et batterie [2,3].

Figure 1.3 Système hybride photovoltaïque-batterie et pile à combustible

II.3. Système hybride photovoltaïque –éolien

L’optimisation de l’énergie éolienne et photovoltaïque avec un stockage

électrochimique dépend beaucoup des modèles économiques de chaque système pris

séparément. Cette configuration est constituer par deux sources d’énergie

complémentaire (photovoltaïque et l’éolienne) avec une batterie de stockage.


6

Figure 1.4 Système hybride photovoltaïque –éolien –diesel

III. Différent types d’instalation des panneaux PV

On distingue deux types d’installations :

Systèmes non-autonomes ’grid connected’ qui sont rattachées au réseau de

distribution électrique. Dans les systèmes relier aux réseaux, les

consommateurs standard de puissance alternative sont connectés au générateur

via un onduleur parfois bidirectionnel (redresseur/onduleur). Le surplus

d’énergie du générateur photovoltaïque est injecté au réseau public et les

demandes de puissance qui existent la capacité de production du générateur

sont attachées sur le réseau. La figure 1.5 explique cette configuration.

Systèmes autonomes ’stand-alone’, ces installations isolées ne sont pas

connectées au réseau, mais elles doivent assurer la couverture de la demande

de la charge en tout temps. La puissance à la sortie du générateur

photovoltaïque n’est pas suffisante pour satisfaire la demande de charge, aussi

l’autonomie du système est assurée par un système de stockage d’énergie.


7

.

Acquisition de données Charges

Figure 1.5 Système raccordé au réseau.

IV Avantage et inconvénient d’un système hybride

Avantages

Non dépendant d’une seule source d’énergie.

Le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un

montage simple et adaptable aux divers besoins énergétiques, on peut

dimensionner les systèmes photovoltaïques pour des applications de puissances

très élevées.

Le fonctionnement d’une installation photovoltaïque ne demande ni

combustible et ni transport ce qui rend le coût de fonctionnement très faibles.

La technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan

écologique car le produit est fini est non polluant, silencieux et n'entraîne aucune

perturbation du milieu.

Inconvénients

La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie

et requiert un coût élevé.

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


8

Conclusion

Nous avons présenté dans ce chapitre les différentes notions qui entrent dans la

constitution d’un système hybride, ce qui permet de faire la modélisation et l’analyse

de ce système, qui est l’objectif du deuxième chapitre.

Chapitre II Modélisation d’un système hybride

10

Introduction

Le but d’un système d’énergie hybride est de produire le maximum

d’énergie à partir des sources d’énergie renouvelable pour satisfaire la demande de la

charge. Le stockage d'énergie présente un grand intérêt stratégique et économique dans les

conditions du marché libéralisé d'électricité, parce qu'il contribue à la capacité de satisfaire

les besoins énergétiques en temps réel et aussi à prévenir les coupures dans

l'approvisionnement. Les batteries sont habituellement utilisées pour le stockage d’énergie.

I. Structure de la chaîne de production de l’énergie PV

Le système hybride de production d’énergie, de façon générale, est celui qui

combine et exploite plusieurs sources disponibles facilement mobilisables. Le système

étudié est illustré par la figure 2.1

Figure 2.1 Schéma synoptique de système PV- batterie.

II. Description des éléments d’un système hybride

Dans ce chapitre, nous présenterons la modélisation de chaque composant du

système hybride étudié.


11

II.1.Cellule photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques sont des composants optoélectroniques qui

transforment directement la lumière solaire en électricité par un processus appelé ‘effet

photovoltaïque’, a été découverte par E. Becquerel en 1839. Elles sont réalisées à l'aide de

matériaux semi-conducteurs, c'est à dire ayant des propriétés intermédiaires entre les

conducteurs et les isolants.

La structure la plus simple d’une cellule photovoltaïque comporte une jonction entre

deux zones dopées différemment du même matériau (homo jonction) ou entre deux

matériaux différents (hétérojonction). Le but de la structure photovoltaïque, c’est de créer

un champ électrique interne.

II.1.2 Différents types des cellules

Ils existent trois types de silicium : mono cristallin, poly cristallin et amorphe.

Cellule au silicium mono-cristallin : Pour ce genre d’application

technologique, le silicium pur est obtenu à partir de quartz ou de sable par

transformation chimique métallurgique. le silicium a un rendement

électrique et une durée de vie de l’ordre de deux fois du silicium amorphe

mais sont nettement plus chers.

Cellule au silicium poly-cristallin : Le silicium poly –cristallin est un

matériau composé de cristaux juxtaposés obtenus par moulage. Ce matériau

est moins coûteux (que pour les photopiles cristallines). Les cellules carrées

ou rectangulaires sont faciles à utiliser.

Cellule au silicium amorphe : Le silicium absorbe le rayonnement solaire

jusqu'à 100 fois mieux qu’en état cristallin, les cellules sont constituées par

des couches très minces.

I.1.3 Principe de fonctionnement de la cellule PV

La cellule solaire à semi-conducteur est un dispositif permettant de débiter un

courant électrique dans une charge externe lorsque celui-ci est exposé à la lumière. Lorsque

la cellule est exposée au rayonnement solaire, les photons d'énergie pénétrant dans la

cellule solaire transmettent leur énergie aux atomes de la jonction. Si cette énergie est

suffisamment élevée, elle peut faire passer les électrons de la bande de valence à la bande


12

de conduction du matériau semi-conducteur et créer ainsi des paires «électron- trou». Les

électrons Négative (charges N) et les trous Positive (charges P), sont alors maintenus

séparés par un champ électrique qui constitue une barrière de potentiel. Si une charge est

placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone N rejoignent les trous de la zone P

via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel et un courant

électrique circule comme illustre la figure 2.2 [4].

Figure 2.2 Principe de fonctionnement d’une cellule PV

II.1.4 Panneau solaire

Le panneau solaire compose de modules photovoltaïques interconnectés en série

et/ou en parallèle afin de produire la puissance requise comme montre la figure 2.3. Ces

modules sont montés sur une armature métallique qui permet de supporter le champ solaire

avec un angle d’inclinaison spécifique.

Figure 2.3 Photographie d’un panneau PV.


13

II.1.5 Générateur photovoltaïque

Pour produire plus de puissance, les panneaux solaires sont assemblés pour

former un générateur photovoltaïque. Les connections en série de plusieurs panneaux

augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le

courant en conservant la tension. La figure 2.4 représente un générateur photovoltaïque.

Figure 2.4 Générateur photovoltaïque

II.2 Modelisation d’une cellule photovolatique

Le modèle à une diode est actuellement le plus utilisé en raison de sa simplicité. Il

permet d’exprimer l’intensité d’un module PV en fonction de la tension à ses bornes et des

conditions climatiques (éclairement et température ambiante). Le modèle d’une cellule est

celui de la figure ci-dessous :

Figure 2.5 Schéma electrique equivalent d’une cellule


14

L’intensité I en fonction de la tension V aux bornes d’une cellule est :

)1.2( R

IRVIII

sh

SDph

Le courant de polarisation de la jonction PN, ID, est exprimé par l’expression:

)2.2(1T.K.A

IRVqexpII s

sD

Où :

Rs :Resistance serie,Ω

Is :Courant de saturation de diode, A

q :charge de l’electron=1.6.10-19 C.

A :facteur de qualité de la cellule.

K :constant de boltzmanne=1.38*10-23J/K.

T :temperature de fonctionement en Kelvin.

Comme la résistance shunt, Rsh,est beaucoup plus élevée que la résistance série.

Donc l’équation(2.1) devient :

Dph III (2.3)

II.2.1 Caractéristique courant- tension d’une cellule PV

La caractéristique courant-tension d’une cellule photovoltaique donnée pour un

éclairement et température donnée. La figure 2.6 représente les trois zones essentielles:

La zone (1): où le courant reste constant quelle que soit la tension, pour cette région,

le générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant.

La zone (2): correspondant au coude de la caractéristique, la région intermédiaire

entre les deux zones précédentes, représente la région préférée pour le fonctionnement du


15

générateur, où le point optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être

déterminé.

La zone (3): qui se distingue par une variation de courant correspondant à une

tension presque constante, dans ce cas le générateur est assimilable à un générateur de

tension [5].

Figure 2.6 Caractéristique courant-tension de la cellule

II.2.2 Caractéristique puissance- tension d’une cellule PV

Dans des conditions ambiantes de fonctionnement fixes (éclairement, température,

vitesse de circulation de l'air ambiant, etc..), la puissance fournie par la cellule est exprimée

par [7,9] :

I.VP (2.4)

La caractéristique puissance-tension de la cellule est représentée par la figure 2.7

Figure 2.7 Caractéristique puissance-tension de la cellule


16

Cette puissance est donc maximale au point définit par 0dV

dP soit :

0exp1exp

AKT

qV

AKT

qVRs

AKT

qVII sph (2.5)

Le courant maximal, I max, correspondant au maximum de puissance, est exprimer

par:

AKT

qVexp

KT

VqII maxmaxs

max (2.6)

II.3 Groupement des cellules photovoltaïques

On distingue trois types de groupement :

II.3.1 Groupement des cellules en série

Dans un groupement en série, la figure 2.8 montre que le courant débité par

les cellules est le même dans la branche tandis que la tension est multiplié par le nombre de

cellule en série.

Figure 2.8 Groupement des cellules en série


17

II.3.2. Groupement des cellules en parallèle

Dans un groupement des cellules connecté en parallèle, les cellules étant

soumises à la même tension, les intensités s’additionnent, la caractéristique résultante est

obtenue par la figure 2.9.

Figure 2.9 Groupement des cellules en parallèle

II.3.3 Groupement mixte des cellules

On utilise cette association lorsqu’on besoin l’augmentation du courant et de

la tension en même temps. Cette configuration représente un générateur photovoltaïque

comme est illustrée par la figure 2.10.

Figure 2.10 Groupement mixte des cellules


18

II.4 Influence de la variation des conditions atmosphérique

Plusieurs paramétres sont influent sur les caractéristiques courant-tension et

puissance –tension, tels que la température , eclairement et la résistance série. Dans le

chapitre suivant on prouve par résultat de simulation cette influence .

III. Modélisation des convertisseurs statiques

Un convertisseur d’énergie est un équipement que l’on dispose généralement soit

entre le champ PV et la charge. Selon la nature de charge (continue ou alternative), on

distingue deux types de convertisseurs.

Convertisseur continu continu

Convertisseur continu alternatif

Dans notre travail on limitera notre étude au convertisseur continu- continu.

III.1 Modélisation d’un convertisseur DC-DC

Le convertisseur DC-DC est un convertisseur de courant (ou de tension) continu,

statique, qui permet d'obtenir à partir d'une source de courant (ou de tension) continu de

valeur fixe une tension continûment variable. Dans notre application on utilise un

convertisseur de type abaisseur –élévateur (Cuk). La modélisation de ce dernier exige

certains hypothèses à proposer :

Tous les composants sont parfaits (sans pertes).

L’étude se fait sur le régime permanant.

La capacité du condensateur de sortie sera supposée suffisamment grande pour que

la tension à ses bornes puisse être considérée comme constante au cours de la

période.

Conduction continue

Un convertisseur est constitué de deux inductances, de deux condensateurs, d'un

interrupteur (généralement un transistor) et d'une diode. Le schéma de base d'un

convertisseur Cuk est représenté dans la figure 2.11 [6]


19

Figure 2.11 Schéma de base d'un convertisseur Cuk.

III.2 Principe de fonctionnement

Le condensateur C est utilisé pour transférer l'énergie entre la source de tension

d'entrée (Vi) et celle de sortie (Vo). Pour cela, il est connecté alternativement à l'entrée ou à

la sortie du convertisseur grâce à l'interrupteur K et la diode D.

Les deux inductances L1 et L2 sont utilisées pour convertir respectivement la source

de tension d'entrée et la source de tension de sortie (Co) en sources de courant. En effet une

bobine peut être considérée, sur une courte période, comme une source de courant comme

elle maintient celui-ci constant. Ces conversions sont nécessaires afin de limiter le courant

lorsque l'on relie le condensateur C à une source de tension (Vo ou Vi) [6].

On distingue deux modes de fonctionnement :

1. Mode 1 : Etat ON (0<t<DT)

L'interrupteur K est fermé, la diode D est bloquée. Le schéma équivalent du circuit

est le suivant:

Figure 2.12 Circuit équivalent : Etat-on.


20

La tension du condensateur (C) rend la diode (D) polarisée en inverse et bloquée

Le condensateur (C) se décharge son énergie à la charge à travers la boucle formée par K,

Co, R et L2. La relation suivante est établie :

-IC =IL2 (2.7)

2. Mode 2 : Etat OFF (DT <t<T)

L’interrupteur K est ouvert et la diode D devient conductrice. Le schéma équivalent

du circuit est illustre sur la figure 2.13

Figure 2.13 Circuit équivalent : Etat off.

Le condensateur (C) devient chargé par l'entrée (Vs) à travers l'inductance (L1).

L’énergie stockée dans l’inductance (L2) est le transfert de la charge à travers la

boucle formé par la diode, Co et R.

Ainsi, la relation suivante est établie comme :

IC =IL1 (2.8)

Pour un fonctionnement périodique, le courant moyen condensateur est nul :

0TD1Ic.DTIcKoffkon

(2.9)

En utilisant l’équation (2.7) et (2.8), on obtient :

0D)T(1IDTI L1L2 (2.10)


21

Donc:

D1

D

I

I

2L

1L

(2.11)

Note que, D est le rapport cyclique et T est la période de commutation.

En supposant qu'il s'agit d'un convertisseur idéal, la puissance moyenne fournie par

la source doit être la même que la puissance moyenne absorbée par la charge :

Pin=Pout (2.12)

La combinaison de ces équations nous donne l’expression générale de la tension de

sortie:

D1

D

V

V

s

0

(2.13)

V. Batterie d'accumulateurs

Puisque la demande d’énergie dans les applications photovoltaïques ne coïncide pas

toujours avec sa production, il est donc nécessaire d’avoir un élément de stockage pour

stocker l’énergie produite. Cet élément est généralement constitué des batteries

d’accumulateurs électrochimiques et rechargeables, capables de stocker l’énergie électrique

sous forme chimique puis la restituer à chaque demande grâce à la réversibilité de la

transformation.

V.1 Caractéristiques électriques d’une batterie à plomb

Parmi les quelles on cite [8] :

Capacité standard d’un accumulateur

On appelle capacité d’un accumulateur au plomb la quantité d’électricité que celui-ci

restitue au cours d’une décharge complète précédée d’une charge complète. On entend par :

-Décharge complète, une décharge poursuivie jusqu’à ce que la tension aux

bornes de l’accumulateur atteigne une valeur définie en fonction du régime de décharge,

par exemple 80 % de sa valeur initiale.


22

-Charge complète, une charge lente (par exemple en 10 h) poursuivie jusqu’à

ce que la densité de l’électrolyte reste stable pendant au moins une heure.

La capacité s’exprime usuellement en ampères-heures (Ah).

Taux de charge/décharge

Le taux de charge ou de décharge est le rapport entre la capacité nominale de la

batterie et le temps de charge ou de décharge exprimé en heures.

Etat de charge

C’est le pourcentage de la quantité d’énergie disponible dans la batterie.

Tension nominale

Il s'agit de la tension type de la batterie.

Profondeur de décharge

C’est le pourcentage d’énergie maximum que l’on peut retirer d’une batterie. Elle

ne doit pas être déchargée au-delà de cette valeur afin de prolonger sa durée de vie

V.2 Schéma électrique d’une batterie

Le modèle simple d’une batterie est représenté par le schéma électrique suivant :

Figure 2.14 Schéma électrique d’une batterie.


23

L’équation la plus simple qui décrit la relation entre la tension de la batterie Vbat et

le courant de charge Ib est donnée par [9].

bat11bat IRVV (2.14)

Avec:

R1 : Résistance interne de la batterie.

V1: Tension à vide.

V.3 Mode de fonctionnement d’une batterie

On distingue de modes : charge et décharge

Mode de charge

ns*soc(t)*0.1482V1 (2.15)

m

1 soc

ns*soc(t)1.060.1309/0.758R

(2.16)

Mode de décharge

nssoc(t)0.1241.926V1 (2.17)

m

1 soc

ns0.14soc(t)0.1037/0.19R

(2.18)

Avec :

socm : valeur maximal de l’énergie de batterie.

Soc (t) : état de charge.

ns : nombre de 2V des cellule série .

IV Chargeur d’une batterie

Les batteries sont sollicitées dans une plage bornée d’états de charge par rapport à

toute énergie emmagasinée. En effet on doit assurer leur protection en évitant d’atteindre

trop fréquemment des états de charges extrêmes, en partie responsables du vieillissement

prématuré des batteries [10].


24

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons présenté la modélisation et les caractéristiques des

différents organes constituant notre système hybride.

Chapitre III Résultats &Simulation

25

Introduction

Dans ce chapitre sont exposés les résultats de simulation obtenus au cours de

cette étude. Les différentes parties du notre système hybride (panneau photovoltaïque,

convertisseur DC/DC, batteries et la charge) sont modélisées par des blocs séparés

sous l’environnement Matlab7.4. L’association des ces composants exige un plus du

temps, Pour cette raison, on montre uniquement la simulation du panneau

photovoltaïque (source de production) et l’élément de stockage (batterie à plomb).

I. Simulation d’un panneau photovoltaïque

Un panneau solaire de type BP SX150 dont les paramètres sont donnés par le

tableau III.1 suivant :

Paramètres Valeurs

Puissance maximale (Pmax) 150W

Courant au point Pmax 4.35A

Tension au point Pmax 34.5V

Courant de court-circuit 4.75A

Tension en circuit-ouvert 43.5V

Tableau III.1 Paramètres d’un panneau solaire BPSX150

Pour valider ce modèle nous l’avons simulé en utilisant le modèle

mathématique déjà décrit au chapitre précédent. Nous avons déterminé les

caractéristiques courant-tension et puissance –tension pour différents niveaux

d’éclairement et température.

I.1 Caractéristique d’un panneau photovoltaïque

Les figures III.1 et III.2 montrent les caractéristiques courant-tension et

puissance-tension d’une cellule photovoltaïque dans les conditions standard de

fonctionnement (G=1000w/m2 et T=250C)


26

Figure III.1 Caractéristique courant-tension d’une cellule

Figure III.2 Caractéristique puissance-tension d’une cellule


27

I.2 Influence de la variation des conditions métrologiques

Pour confronter un peu plus notre modèle à la réalité, il est nécessaire

d’étudier comment certains paramètres, tels que l’éclairement, la température et la

résistance série.

I.2.1 Influence de l’éclairement

Pour différent niveau d’éclairement, on remarque que la tension maximale

correspondant à la puissance maximale ne varie que très peu contrairement au courant

maximal qui augmente fortement avec l’éclairement. Les figures III.3 et III.4

montrent cette influence.

Figure III.3 Caractéristique courant-tension d’une cellule pour différent

éclairement


28

Figure III.4 Caractéristique puissance-tension d’une cellule pour différent

éclairement

I.2.2 Influence de température

Les figures III.5 et III.6 représentent l’évolution du courant, tension et

puissance en fonction de température, on remarque que lorsque la température

augmente, la tension, à vide diminue alors que le courant augmente. Par contre la

puissance fournie varie très légèrement.


29

Figure III.5 Caractéristique courant-tension d’une cellule pour une variation de

température

G=1000W/m2

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

50

100

150

200

Tention (V)

Puis

sance (

W)

T=25deg

T=50deg

T=75deg

Figure III.6 Caractéristique puissance-tension d’une cellule pour une variation de

température


30

I.2.3 Influence de la résistance série

Les figures III.7 et III.8 montrent la variation de la résistance série qui influe

sur la pente de la caractéristique I-V et P-V

Figure III.7 Caractéristique courant-tension d’une cellule pour une variation de

résistance série

Figure III.8 Caractéristique puissance-tension d’une cellule pour une variation de

résistance série


31

I.3 Association des cellules

On examine trois types d’association possible :

Association des cellules en série afin d’augmenter la tension comme montre

les figures III.9 et III.10. Une association de plusieurs cellules donne un

module.

Figure III.9 Caractéristique I-V : Association des cellules en série

Figure III.10 Caractéristique P-V : Association des cellules en série


32

Association de cellules en parallèle pour augmenter les courants.

Figure III.11 Caractéristique I-V : Association des cellules en parallèle

Figure III.12 Caractéristique P-V : Association des cellules en parallèle

Association mixte : c’est une combinaison de deux types d’association

précédente (série et parallèle) et cela pour augmenter la tension et le courant

en même temps.


33

Figure III.13 Caractéristique I-V : Association des cellules mixte

Figure III.14 Caractéristique P-V : Association des cellules mixte


34

II. Simulation d’une batterie

Nous distinguons deux modes : charge et la décharge de la batterie pour une

alimentation à courant constant et courant variable.

II.1 Alimentation à courant constant

Cas de charge : On alimente la batterie par un courant positif, la tension de

charge et le signal de l’état de charge sont donnés par la figure III.15 et III.16,

on constate que l’état de charge augmente linéairement. Dés que la batterie est

chargée, la tension se stabilise pour un état de charge égale à 0.9

Figure III.15 Tension de charge d’une batterie

Figure III.16 Etat de charge d’une batterie

0 500 1000 15000.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Temps(min)

Etat

de

char

ge

0 500 1000 150011.5

12

12.5

13

13.5

Temps(min)

Tens

ion(

V)


35

0 500 1000 15000.2

0.4

0.6

0.8

1

Temps(min)

Eta

t de

cha

rge

Cas de décharge : Les figures III.17 et III.18 montrent que durant la décharge

d’une batterie, la tension et le signal de l’état de charge diminue jusqu’au

atteint une valeur minimale.

Figure III.17 Tension de charge d’une batterie

Figure III.18 Etat de charge d’une batterie

II.2 Alimentation à courant variable

0 500 1000 150011.7

11.8

11.9

12

12.1

12.2

12.3

Temps(min)

Tens

ion(

V)


36

Afin de valider notre modèle de simulation de batterie, on alimente la batterie

par un courant variable. La tension de batterie et le signal de l’état de charge sont

illustrés par la figure III.19 et III.20. On remarque que la tension balance entre les

deux modes : elle augmente pour le cas de charge de la batterie et diminue pour le cas

contraire.

0 500 1000 150012

12.2

12.4

12.6

12.8

13

Temps(min)

Te

nsio

n(V

)

Figure III.19. Variation de la tension de batterie

0 500 1000 1500

0.8

0.85

0.9

Temps (min)

Eta

t de

cha

rge

Figure III.20. Variation de l’état de charge

Conclusion


37

Dans ce chapitre, nous avons simulé notre modèle du panneau photovoltaïque

ainsi que les différents modes de charge et de décharge de la batterie pour une

alimentation à courant constant et variable.

Conclusion Générale

38

Conclusion Générale

L’objectif de ce travail était l’étude de la modélisation d’un système hybride

(photovoltaïque –batterie). La modélisation des différents composants a été réalisée.

Les résultats obtenus ont permis de montrer une bonne simulation concernant le

panneau photovoltaïque ainsi que l’élément de stockage. L’association de ces

composants pour former le modèle complet exige beaucoup du temps et une étude

technico-économique du système hybride.

Dans le premier chapitre,on a présenté un petit aperçu sur les systèmes

hybrides de production d’énergie électrique et les différentes combinaisons que les

constitut ,ensuite on a introduire une modélisation d’un système hybride

(Photovoltaïque – batterie) pour la production de l’énergie en site isolé dans le

deuxième chapitre, enfin on a présenté une simulation de notre système hybride

basant sur la modélisation d’un panneau photovoltaïque et sur le modèle de batterie

au plomb pour obtenu les résultat de simulation.

[1] T. Rekioua , M.T. Irid et Z. Roumila," Dimensionnement d’une centrale hybride

photovoltaïque – éolienne – diesel ", Département d’Electrotechnique ,Revue des

Energies Renouvelables Oujda ,2007.

[2] Jérémy Lagrose ,"Système électrique hybrides à énergie renouvelable

Dimensionnement, modélisation et simulation", journée Technique Energie

Problématique et méthodologies .

[3] A. Kaabeche , M. Belhamel , R. Ibtiouen , S. Moussa , et M. R. Benhaddadi ,

"Optimisation d’un système hybride (éolien – photovoltaïque) totalement autonome ",

Département de l’Energie Electrique, Ecole Polytechnique de Montréal, Canada

Revue des Energies Renouvelables , 2006 ,199 – 209

[4] Zaamta Souad " Réalisation d'un régulateur solaire à base de microcontrôleur pour

le contrôle de l'état de charge et la protection des accumulateurs", Mémoire de

Magister en Electrotechnique, Université D’oum El Bouaghi, 2008.

[5] Arbaoui Mohammed Brahim et Azeb Cheikh Bachir, "optimisation de la

puissance d’un générateur Photovoltaïque ", mémoire d’ingénieur en

électrotechnique, Université D’oum El Bouaghi 2009.

[6] Khettache Laid , " Etude et Commande d’un Système Eolien à Base d’une

Machine Electrique Double Alimentée", Mémoire de Magister en Electrotechnique,

Université de Batna, 2007.

[7] Belhadj Mohammed " Modélisation D’un Système De Captage Photovoltaïque

Autonome " Mémoire de Magister en Microélectronique – Photovoltaïque, Centre

Universitaire De Bechar Institut des Sciences Exactes ,2007-2008.

[8] V.Boitier,C.Alonco" Dimensionnement d’un système Photovoltaïque ", Institut

de génie électrique ,2005.

[9] Yahiaoui M., "Conception d’un suiveur du point a puissance maximale d’un

système photovoltaïque d’éclairage public", Mémoire de Magister en

Electrotechnique, Université D’oum El Bouaghi, 2008.

[10] Emanuel Florin Magos, "production décentralise dans les réseaux de

distribution", étude pluridisciplinaire de la modélisation pour le contrôle des

sources", Mémoire de Doctorat en génie électrique, Centre de Lille. 2005.

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