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L’effet photovoltaïque
Description
L’effet photovoltaïque, découvert par le physicien Edmond BECQUEREL en 1839, permet la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique par l’intermédiaire des photopiles ou cellules solaires fabriquées à l’aide des matériaux semi-conducteurs. Ces semi-conducteurs peuvent être des semi-conducteurs sous forme monocristalline, polycristalline, ou amorphe. [13]
Principe de fonctionnement
La photopile ou cellule photovoltaïque, est une mince couche (deux dixième de millimètre) d’un métal semi-conducteur, traitée pour pouvoir convertir la lumière en courant continu.
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. Ce matériau comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type N et dopée de type P. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau N diffusent dans le matériau P. La zone initialement dopée N devient chargée positivement, et la zone initialement dopée P chargée négativement. Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone N et les trous vers la zone P. Une jonction PN a été formée. On obtient alors une tension électrique qui engendre un courant électrique.
L’énergie électrique obtenue est appelée l’énergie photovoltaïque.
Caractéristique courant-tension
Courant de court-circuit
C’est le courant délivré par le module en court-circuit. Il est sensiblement égal au courant solaire I𝑝ℎ . Si la température de jonction de la cellule est constante, ce courant est directement proportionnel à la surface, au nombre de cellules en parallèle et surtout à la quantité de lumière reçue par la cellule (𝐼𝑐𝑐=𝐼𝑝ℎ ).
Tension en circuit ouvert
La tension en circuit ouvert est obtenue en faisant l’essai à vide, (c’est-à-dire pour I=0).
Evolution des caractéristiques de la cellule
La caractéristique courant-tension dépend des conditions d’ensoleillement et de température à la surface de la cellule photovoltaïque.
Effet de l’ensoleillement sur le panneau solaire
La variation de l’ensoleillement pour éclairer un panneau solaire influe beaucoup sur la caractéristique de celui-ci.
Pour une baisse de l’ensoleillement, on remarque une diminution de la création de pair électron-trou avec un courant inchangé à l’obscurité. Il s’agit en effet d’une baisse du courant solaire Icc, proportionnelle à la variation de l’ensoleillement qui est accompagnée d’une très légère diminution de la tension Vco d’où une diminution de Pmax du panneau solaire. Le courant du panneau étant égal à la soustraction du photon courant et du courant de diode à l’obscurité.
Effet de la température sur le panneau solaire
La température NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) caractérise le fonctionnement thermique du module PV. C’est une température atteint par la cellule à l’intérieur du module sous une puissance solaire de 800 W/𝑚2, une température ambiante de 25°C et un vent de vitesse 1m/s.
Une élévation du NOCT provoque un important accroissement du courant à l’obscurité et facilite une légère augmentation de la création de paires électrons-trou d’où une légère augmentation du courant Icc accompagnée d’une diminution forte de la tension Vco et par suite une diminution de la puissance Pmax du module.
Groupement de photopiles solaires
Pour obtenir des puissances électriques importantes, il est nécessaire de réaliser des groupements de photopiles solaires soit en série, soit en parallèle ou même mixte en suivant les caractéristiques du récepteur.
Groupement en série
En mettant Ns cellules ou modules identiques en série, le courant de la branche reste le même mais la tension augmente proportionnellement au nombre de cellules ou modules en série.
Groupement en parallèle
En mettant Np cellules ou 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.
Pour chaque panneau on peut avoir autant de sorties que de modules, ce que fait qu’on aura besoin de boite de dérivation qui regroupe le tout ;
Alors cette boite de dérivation fixée sur une structure du montage a comme rôle d’effectuer les connections entre les modules pour obtenir une puissance optimale en sortie.
NOTIONS SUR LA CLIMATISATION
Production du froid
La production de froid pour les besoins domestiques, commerciaux et industriels, nécessite l’utilisation d’un dispositif capable d’extraire de la chaleur dans le milieu à refroidir pour la rejeter dans un milieu dit extérieur.
Dans le cas de l’obtention du froid à partir de la détente d’un gaz comprimé, on utilise un fluide nommé « fluide frigorigène » qui parcourt un cycle fermé et subit des transformations en plusieurs phases par l’intervention de ces éléments de base d’un système frigorifique à compression :
. Compresseur
Le compresseur a pour rôle d’aspirer des vapeurs produites par la vaporisation du fluide frigorigène dans l’évaporateur à une pression faible et de refouler à haute pression ces vapeurs comprimées dans le condenseur pour permettre leur condensation par refroidissement.
. Condenseur
C’est un échangeur qui va permettre aux gaz de se transformer au contact de l’air ou de l’eau circulant autour de lui en liquide « sous-refroidi » à température et pression constantes. Pendant la phase de condensation, la vapeur se transforme en liquide.
. Détendeur
Le détendeur permet de réduire la pression du fluide frigorigène liquide (création de pertes de charge) issu du condenseur avant son introduction dans l’évaporateur dans le but de permettre sa vaporisation à basse température et à basse pression.
. Evaporateur
L’évaporateur est lui aussi un échangeur de chaleur, le fluide frigorigène (environ 20% vapeur et 80% liquide) provenant du détendeur va entrer en ébullition dans l’évaporateur en absorbant de la chaleur au fluide extérieur, (l’eau, l’air..), c’est la phase d’évaporation. Les vapeurs surchauffées retournent au compresseur pour un nouveau cycle.
Pour une installation destinée à la production du froid, seul les quatre éléments sont les plus essentiels pour un cycle frigorifique comprenant ces quatre processus respectifs et en s’associant au réfrigérant. Le schéma suivant nous montre clairement le déroulement de ce cycle du système frigorifique.
Systèmes à détente directe
La climatisation à détente directe repose sur la vaporisation d’un fluide frigorigène au niveau de la batterie froide (évaporateur) de l’appareil utilisé. Le rafraichissement de l’air est obtenu à l’aide d’une unité intérieure placée dans le local à traiter. On distingue :
Le climatiseur de fenêtre ou window
Les splits system
Le multi split system
Les monoblocs
Les climatisations centralisées
La climatisation centrale à eau glacée
La climatisation centrale à eau glacée s’opère suivant ces principes : Production d’eau glacée par des groupes frigorifiques, distribution de l’eau glacée par des réseaux hydrauliques, brassage d’air par des appareils terminaux qui assurent la climatisation dans les locaux ;
La climatisation centralisée à air
Le principe de la climatisation centralisée à air se base sur l’extraction, la préparation et à la diffusion de l’air froid et neuf vers les gaines de distribution d’air.
L’unité de climatisation au bloc technique
C’est un système de climatisation centralisé à eau glacée de type Chiller. [12]
Description du Chiller
Le Chiller est :
un groupe frigorifique de type DTS (Dimplex Thermal Solutions) ;
composé de deux unités identiques montées en parallèle (Chiller A et Chiller B), et qui suit la norme ASHRAE
DIMENSIONNEMENT D’UN SITE PHOTOVOLTAÏQUE
Localisation du site
D’après les recherches faites auparavant, on a constaté l’existence d’un CHILLER (l’unité frigorifique) qui assure une production de froid pour climatiser les salles du Bloc Technique. Mais l’instabilité de la tension du courant ainsi que la défaillance électrique due à des machines utilisées dans ce bloc ne permettent pas l’utilisation rationnelle de ce Chiller. Puisque Madagascar, en tant que pays du sud bénéficie d’un grand rayonnement solaire, qui est de l’ordre de 2800 heures d’ensoleillement annuel, notre travail d’exploitation d’énergie renouvelable devient plus intéressant et réaliste.
En effet, on peut envisager l’installation d’une centrale hybride (photovoltaïque et éolienne) en exploitant l’énergie photovoltaïque pour une alimentation électrique sans coupure du Chiller pour climatiser les salles du bloc technique de l’ESPA à Vontovorona.
Site : bloc technique de l’ESPA (Vontovorona)
Comme ce site se situe à Antananarivo, alors nous avons les données concernant les informations climatiques ainsi que géographiques qui sont nécessaires pour la conception adéquate d’un champ photovoltaïque.
Données climatiques :
Madagascar se trouve dans la zone tropicale avec deux principales saisons :
la saison des pluies de Novembre à Avril qui est aussi la saison chaude ;
la saison sèche de Mai à Octobre qui est la saison fraîche.
Les batteries d’accumulateur
L’énergie fournie par la cellule photovoltaïque est tributaire des conditions météorologiques (ensoleillement, température), par conséquent, un système de stockage est indispensable afin d’assurer la continuité électrique de l’alimentation en toutes circonstances.
Dans le cadre de notre projet, le cahier des charges spécifie une autonomie de marge 3 jours en cas d’absence totale d’électricité. Aujourd’hui, de nombreuses technologies de stockage d’énergie sont disponibles; mais le choix de la technologie reste toujours en fonction de la capacité, de la fiabilité et des performances.
Dans un système photovoltaïque, la batterie remplit trois fonctions importantes dont l’autonomie, le courant de surcharge et la stabilité de la tension.
Electriquement, un accumulateur désigne un système physicochimique capable de convertir de façon réversible l’énergie électrique en énergie chimique. L’énergie électrique est donc accumulée, puis restituée en majeure partie. L’accumulateur n’est généralement pas utilisé seul, mais plusieurs sont associés en batterie. [15]
Il existe deux principaux types de batteries: les batteries de démarrage et celle à cycle profond. Les cinq technologies d’accumulateurs rechargeables d’usage courant sont: accumulateur au plomb (Pb), accumulateur Nickel cadmium (Ni-Cd), accumulateur Nickel Metal Hydride (Ni-MH), accumulateur Lithium-ion (Li-ion) et accumulateur Lithium-ion polymère (Li-Polymer). L’avantage des accumulateurs est qu’ils peuvent stocker une grande densité d’énergie. Ils sont très performants pour délivrer cette énergie à régime constant.
En voici le comparatif des caractéristiques principales pour les différentes technologies sous forme de tableau.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I : CONTEXTE GENERAL
Chapitre I : ENERGIE RENOUVELABLE
I.1 Définition
I.2 Quelques types d’énergies renouvelables
I.2.1 L’énergie de la biomasse
I.2.2 L’énergie géothermique
I.2.3 L’énergie hydraulique
I.2.4 L’énergie éolienne
I.2.5 L’énergie solaire
I.3 Notions de l’énergie solaire
I.3.1 Le Soleil
I.3.2 Rayonnement solaire
a) Rayonnement direct
b) Rayonnement diffus
c) Rayonnement global
I.3.3 Notions de temps
I.3.4 L’ensoleillement quotidien
I.3.5 Procédés de l’énergie solaire
a) L’énergie solaire thermique
b) L’énergie solaire photovoltaïque
c) L’énergie solaire passive
Chapitre II : ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE
II.1 L’effet photovoltaïque
II.1.1 Description
II.1.2 Principe de fonctionnement
II.2 Cellules photovoltaïques
II.2.1 Etapes de fabrication des cellules photovoltaïques
II.2.2 Comparatif des différentes technologies
II.2.3 Caractéristique courant-tension
a) Courant de court-circuit
b) Tension en circuit ouvert
II.2.4 Evolution des caractéristiques de la cellule
a) Effet de l’ensoleillement sur le panneau solaire
b) Effet de la température sur le panneau solaire
II.2.5 Modèle d’une cellule solaire
II.2.6 Rendement
II.3 Module solaire
II.3.1 Description
II.3.2 Groupement de photopiles solaires
a) Groupement en série
b) Groupement en parallèle
Chapitre III : NOTIONS SUR LA CLIMATISATION
III.1 Production du froid
III.2 Climatisation
III.2.1 Généralités
III.2.2 Les différents systèmes de climatisation
a) Systèmes à détente directe
b) Les climatisations centralisées
III.2.3 L’unité de climatisation au bloc technique
a) Description du Chiller
b) Caractéristiques
PARTIE II : METHODOLOGiE
Chapitre I : DIMENSIONNEMENT D’UN SITE PHOTOVOLTAÏQUE
I.1 Localisation du site
I.1.1 Site : bloc technique de l’ESPA (Vontovorona)
I.1.2 Evaluation de la demande énergétique
I.2 Emplacement, orientation et inclinaison des panneaux
I.2.1 Emplacement et orientation des panneaux
a) Calcul de la surface du toit disponible
b) Calcul du nombre de modules maximum qu’on peut installer sur le toit
I.2.2 Inclinaison des panneaux
I.2.3 Ensoleillement
I.2.4 Nombre de jours d’autonomie
Chapitre II : SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE
II.1 Schéma de fonctionnement du système
II.2 Principe de base
II.2.1 Le régulateur
II.2.2 Les batteries d’accumulateur
II.2.3 L’onduleur
Chapitre III : DIMENSIONNEMENT DES APPAREILS CONSTITUTIFS DU GENERATEUR PV
III.1 Dimensionnement des modules photovoltaïques
III.1.1 Orientation et inclinaison des panneaux
III.1.2 Besoins énergétiques journaliers
III.1.3 Estimation de la consommation totale
III.1.4 Evaluation de la somme de puissance et de la tension d’utilisation
III.1.5 Estimation de la puissance crête
III.1.6 Caractéristiques du module HSE-SL-230W Monocristallin
III.1.7 Nombre de modules
III.1.8 Maintenance des modules solaires installés
III.2 Dimensionnement des batteries d’accumulateur
III.2.1 Capacité du Parc batterie nécessaires
a) Choix de la tension
b) Nombre de batteries nécessaires
III.2.2 Calcul du nombre des batteries
III.3 Dimensionnement du régulateur
III.4 Dimensionnement de l’onduleur chargeur
III.4.1 Puissance apparente de l’onduleur
III.4.2 Choix de l’onduleur/chargeur
III.4.3 Le nombre optimal d’onduleurs
Chapitre IV : DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME HYBRIDE PV- EOLIENNE
IV.1 Calcul du nombre de régulateurs
IV.2 Calcul du nombre de batteries
IV.3 Calcul du nombre d’onduleur
Chapitre V: PROTECTIONS ET CABLAGE
V.1 Mise à la terre des masses ou équipotentialité
V.2 Protection contre les surintensités
V.2.1 Chaîne PV
V.2.2 Câble groupe PV
V.2.3 Les parafoudres
a) Le paratonnerre à tige
b) Le paratonnerre à cage maillée (cage de Faraday)
c) Schémas de principe de protection
V.3 Choix des câbles et protection
V.3.1 Protection
a) Coffret de protection côté AC
b) Coffret de protection côté DC
V.3.2 Câblage
V.4 Récapitulations
Chapitre VI : CONCEPTION D’UN LOGICIEL DE DIMENSIONNEMENT DE PHOTOVOLTAIQUE
VI.1 Présentation géographique et climatique de Madagascar
VI.2 Présentation du logiciel
VI.2.1 Base de données
VI.2.2 Langage de programmation
VI.2.3 Installation
VI.2.4 Les différentes parties du logiciel
VI.2.5 Organigrammes et algorithmes
VI.2.6 Lancement du programme
a) L’interface « information »
b) L’interface de calcul « équipements »
c) Interface des « résultats »
Chapitre VII : ETUDE D’IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
VII.1 Introduction
VII.2 Impacts environnementaux
VII.2.1 Sur le plan de l’installation photovoltaïque
VII.2.2 Analyse des impacts
a) Identifications des impacts potentiels
b) Mesures d’atténuation des impacts
VII.2.3 Recyclage des panneaux en fin de vie
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUE ET WEBOGRAPHIQUE
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