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UNIVERSITÉ D’ANTANANARIVO
Domaine : SCIENCES ET TECHNOLOGIES
Mention : PHYSIQUE ET APPLICATIONS
MÉMOIRE DE FIN D’ETUDES EN VU DE L’OBTENTION DU MASTER EN PHYSIQUE
ET APPLICATIONS
Parcours : Ingénierie en Energies Renouvelables
Sur :
SYSTEME D’ALIMENTATION HYBRIDE PHOTOVOLTAIQUE/GROUPE
ELECTROGENE : CAS D’UN SITE TELMA COMORES
REALISATION D’UN SYSTEME DE COMMUTATION AUTOMATIQUE DE CHARGE
DE BATTERIE PAR PHOTOVOLTAIQUE OU GROUPE ELECTROGENE
Présenté par
MOUSTAKIM Mahamoud
Devant la commission d’examen composée de : Président : Mme. RANDRIAMANANTANYZelyArivelo Professeur Titulaire – UA
Examinateur : Mme. RAKOTO Joseph Onimihamina R. HariveloMaître de Conférence -UA
Encadreur pédagogique : M.RASAMIMANANA François de Salle Maître de Conférence-UA
Encadreur professionnel : Monsieur HARIMANANA NantenainaLivasoa
Soutenu le 31 Aout 2017
UNIVERSITÉ D’ANTANANARIVO
Domaine : SCIENCES ET TECHNOLOGIES
Mention : PHYSIQUE ET APPLICATIONS
MÉMOIRE DE FIN D’ETUDES EN VU DE L’OBTENTION DU
MASTER EN PHYSIQUE ET APPLICATIONS
Parcours : Ingénierie en Energies Renouvelables
Sur :
SYSTEME D’ALIMENTATION HYBRIDE
PHOTOVOLTAIQUE/GROUPE ELECTROGENE : CAS D’UN SITE
TELMA COMORES
REALISATION D’UN SYSTEME DE COMMUTATION AUTOMATIQUE
DE CHARGE DE BATTERIE PAR PHOTOVOLTAIQUE OU GROUPE
ELECTROGENE
Présenté par
MOUSTAKIM Mahamoud
Devant la commission d’examen composée de : Président : Mme. RANDRIAMANANTANY ZelyArivelo Professeur Titulaire – UA
Examinateur : Mme. RAKOTO Joseph Onimihamina R. Harivelo Maître de Conférence -UA
Encadreur pédagogique : M.RASAMIMANANA François de Salle Maître de Conférence-UA
Encadreur professionnel : Monsieur HARIMANANA NantenainaLivasoa
DEDICACES
Je dédie ce travail:
A ma mère,
Mon père et mon oncle
Pour leurs sacrifices et leurs inlassables efforts et soutiens qu'ils ne cessent de déployer afin
que je réussisse et m’épanouisse,
Mes frères et sœurs,
Pour leurs soutiens moral et matériel pour que j'accède à une bonne formation,
Mes Amis
De près ou de loin, ils constituent un environnement qui justifie pour moi le sens de vouloir
accéder à une étude de qualité.
i
REMERCIEMENTS
Ce travail a été réalisé avec le soutien de plusieurs personnes que je souhaite remercier ici. Il
s’agit notamment de :
Monsieur RAHERIMANDIMBY Marson, Professeur Titulaire à l’université
d’Antananarivo, Responsable du Domaine sciences et technologies, de m’avoir permis de
suivre cette formation en master d’ingénierie en énergie renouvelable au sein de la faculté des
sciences de l’Université d’Antananarivo et d’avoir autorisé la soutenance de ce mémoire.
Monsieur RAKOTONDRAMIARANA HeryTiana, Maitre de Conférences à
l’Université d’Antananarivo, Responsable de la mention Physique et applications pour sa
sympathie et ses encouragements à mener à bien mes études au sein de son Département ;
Madame RAKOTO Joseph Onimihamina R. Harivelo, Maitre de Conférences à
l’Université d’Antananarivo, Responsable de la formation pour soutien moral.
Monsieur RASAMIMANANA François de Salle, Maitre de Conférences à
l’Université d’Antananarivo, pour ce sujet et pour sa grande disponibilité. Ses précieux
conseils d’encadreur m’ont été essentiels dans l’accomplissement de ce travail ;
Monsieur RAKOTONAHARY Hajatian Ingénieur et responsable d’Opérations
et Maintenances de CAMUSAT Madagascar, qui a bien voulu donné son accord pour la
réalisation de ces travaux au sein de son entreprise.
Monsieur HARIMANANA NantenainaLivasoa, Ingénieuret et responsable des
0pérations et Maintenances de CAMUSAT Comores, il a assuré l’encadrement technique
durant la réalisation de ce mémoire et ses conseils ont été précieux.
Au personnel de CAMUSAT également pour leur aimable coopération ayant
facilité la réalisation de ce travail; qu’ils trouvent ici nos sincères remerciements, Le corps enseignant de la formation de Master en Ingénierie en d’Énergies Renouvelable.
ii
TABLE DES MATIERES DEDICACES .............................................................................................................................. i
REMERCIEMENTS ..................................................................................................................ii
TABLE DES MATIERES ........................................................................................................iii
LISTE DES TABLEAUX ......................................................................................................... vi
LISTE DES FIGURES .............................................................................................................vii
LISTE DES ABREVIATIONS ................................................................................................. ix
LISTE DES ANNEXES ............................................................................................................ xi
INTRODUCTION GENERALE................................................................................................ 1
PREMIERE PARTIE : CADRE DE L’ETUDE .................................................................. 3 CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’ENTREPRISE .......................................................... 4
I.1- Identification du centre Madagascar et Comores ................................................................ 4 I.2- L’historique ......................................................................................................................... 4 I.3- Objectif du CAMUSAT....................................................................................................... 5 I.4- Mission du CAMUSA ......................................................................................................... 5 I.5- Conseil d’administration ..................................................................................................... 8 I.6. Gestion de Sécurité, de l’hygiène et de l’Environnement .................................................... 8
I.6.1 Gestion de sécurité ......................................................................................................... 8
I.6.2.Gestion de l’hygiène....................................................................................................... 9
I.6.3.Gestion de l’environnement ........................................................................................... 9 I.7. Processus suivi commandes clients ..................................................................................... 9 CHAPITRE II. GENERALITES BIBLIOGRAPHIQUES ...................................................... 10
II.1. Production de l’énergie électrique photovoltaïque ........................................................... 10 II.2. Le rayonnement solaire .................................................................................................... 10 II.3. Le générateur photovoltaïque ........................................................................................... 11
a) Principe photovoltaïque .................................................................................................... 11
A- Jonction PN .................................................................................................................. 11
B- Production d’électricité ................................................................................................ 12
b) Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque ............................................... 13 II.4. Modélisation d’une cellule photovoltaïque ...................................................................... 14
a) Générateur photovoltaïque idéal ...................................................................................... 14
b) Générateur photovoltaïque “réel”..................................................................................... 15
c) Caractéristiques de la cellule photovoltaïque ................................................................... 16 II.5. Point de puissance maximale, rendement, facteur de forme. ........................................... 18
a) Point de puissance maximale............................................................................................ 18
b) Rendement ........................................................................................................................ 19
c) Facteur de forme ............................................................................................................... 19 II.6. Facteurs influençant le fonctionnement d’une cellule Photovoltaïque ............................. 20
a) Influence de l’ensoleillement ou irradiation ..................................................................... 20
b) Influence de la température .............................................................................................. 21
iii
II.7. Caractéristique d’un module photovoltaïque .................................................................... 22 CHAPITRE III : DEROULEMENT DU STAGE ET PROJET PERSONNEL ...................... 24
III.1. Etude du système d’alimentation hybride PV/diesel....................................................... 24 III.2. Conception et réalisation du MECCSEH ........................................................................ 25
DEUXIEME PARTIE : MATERIELS ET METHODES .................................................. 27
CHAPITRE IV : MATERIELS ET METHODES ................................................................... 28
IV.1. Description des matériels utilisés pour le SEH ............................................................... 28
IV.1.1. Les modules photovoltaïques ................................................................................... 28
IV.1.2. Le générateur diesel.................................................................................................. 28
IV.1.3. Les batteries solaires ................................................................................................ 29
IV.1.4. Les convertisseurs .................................................................................................... 30
IV.1.5.Les sections des câbles .............................................................................................. 32
IV.1.6. La structure de supports ........................................................................................... 33
IV.1.7.Les coffrets de connexions ........................................................................................ 33 IV.2. Description des matériels utilisés pour le MECCSEH.................................................... 34
IV.2.1. L’UNO ..................................................................................................................... 34
IV.2.2. Les potentiomètres ................................................................................................... 36
IV.2.3. Les LED ................................................................................................................... 36
IV.2.4. Les résistances .......................................................................................................... 37
IV.2.5. Circuit imprimé ........................................................................................................ 37
IV.2.6. Les fils satrapes ........................................................................................................ 38 CHAPITRE V : METHODOLOGIE ADOPTEE .................................................................... 39
V.1. Méthodologie utilisée pour les SEH ................................................................................. 39
V.1.1. Emplacement du site .................................................................................................. 39
V.1.2. Caractérisation de la charge et prédétermination du profil énergétique de la demande
39
V.1.3. Profil de charge .......................................................................................................... 40
V.1.4.Estimation des ressources énergétiques solaires......................................................... 41
V.1.4.1. Potentiel solaire ................................................................................................... 41
V.1.5. Dimensionnement énergétiques du système photovoltaïque ..................................... 42
V.1.6. Détermination et choix des éléments du système ..................................................... 44 V.2. Méthodologie utilisée sur le MECCSEH ......................................................................... 46
V.2.1. Organisation fonctionnelle du MECCSEH ................................................................ 46
V.2.2. Architecture du fonctionnement du MECCSEH ....................................................... 47
V.2.3. Gestion efficace de l’énergie par MECCSEH ........................................................... 48
a- Vbat < 4.61 V et démarrage du générateur diesel ......................................................... 50
b- Vbat > 4.61 V et arrêt du générateur diesel .................................................................. 51
TROISIEME PARTIE : RESULTATS ET DISCUSSIONS ............................................. 53
CHAPITRE VI : RESULTATS ET DISCUSSIONS ............................................................... 54
VI.1. Résultats de l’installation du SEH .................................................................................. 54
VI.1.1. Résultat de l’installation des panneaux photovoltaïques .......................................... 54
VI.1.2. Résultat de l’installation du générateur diesel .......................................................... 55
iv
VI.1.2.1. Commande du générateur diesel ........................................................................ 56
VI.1.3. Résultat de l’installation du système de stockage : Batteries solaires ...................... 56
VI.1.4. Résultat de l’installation des convertisseurs ............................................................. 57
VI.1.4.1. Convertisseurs bidirectionnel: Sunny Island 5048............................................. 57
VI.1.4.2. Onduleurs photovoltaïques : Sunny central 6000A ........................................... 60
VI.1.4.3. Redresseurs ........................................................................................................ 61
VI.3.2. Résultat sur la réalisation du MECCSEH................................................................. 61 VI.3. Discussion sur les SEH ................................................................................................... 62
VI.3.1. Analyse comparative entre générateur diesel et système Photovoltaïque hybride .. 62 VI.3.2. Aspects économiques des systèmes hybrides ........................................................... 63
CONCLUSION GENERALE .................................................................................................. 65
REFERENCES ......................................................................................................................... 66
BIBLIOGRAPHIES ................................................................................................................. 66
ANNEXES ..................................................................................................................................I
RESUME ..................................................................................................................................VI
v
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : Classification des SEH par gamme de puissances ................................................ 25
Tableau 2 : Distribution journalière de la charge électrique .................................................... 40
Tableau 3 : Répartition de l’irradiation solaire ........................................................................ 42
Tableau 4 : Caractéristiques technique des panneaux photovoltaïques ................................... 54
Tableau 5 : Caractéristiques du moteur diesel ......................................................................... 55
Tableau 6 : Caractéristiques des batteries. ............................................................................... 57
Tableau 7 : caractéristique du convertisseur Sunny Island 50-40 ............................................ 59
Tableau 8: Caractéristiques de l’onduleur SMC6000A ........................................................... 60
Tableau 9: simulation de la réduction de CO2 ......................................................................... 64
vi
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Logo de CAMUSAT.................................................................................................. 4
Figure 2: Organigramme de CAMUSAT ................................................................................... 7
Figure 3 : Principe de la conversion photon-électron dans un système a deux niveaux
d’énergie. .................................................................................................................................. 13
Figure 4 : Production d’électricité par la séparation électron-trou. .......................................... 13
Figure 5: Modèle simplifie d’une cellule PV ........................................................................... 15
Figure 6 : Modèle de la cellule PV avec prise en compte de perte en tension et courant de
fuite........................................................................................................................................... 16
Figure 7 : Caractéristique I-V d’une cellule PV, ensoleillement E=430W/m2, température... 17
Figure 8: Mise en évidence du courant inverse dans une cellule PV (source .......................... 18
Figure 9: Détermination de point de puissance maximale d’une cellule ................................. 19
Figure 10 : Caractéristique idéale d’une cellule P-V ............................................................... 20
Figure 11 : Influence de l’ensoleillement ................................................................................. 21
Figure 12 : Influence de la température sur un module............................................................ 22
Figure 13 : Association en série de cellules identiques ............................................................ 22
Figure 14: Caractéristiques résultantes d’un générateur associant np cellules en parallèle et ns
cellules en série (identiques ou éventuellement disparates) ..................................................... 23
Figure 15 : schéma synoptique d’un système hybride PV/Diesel ............................................ 24
Figure 16 : Schéma synoptique global du MECCSEH ............................................................ 26
Figure 17 : panneaux photovoltaïques ..................................................................................... 28
Figure 18: configuration du moteur diesel ............................................................................... 29
Figure 19 : Batterie solaire ....................................................................................................... 30
Figure 20: vu d’ensemble des redresseurs................................................................................ 31
Figure 21 : onduleur SMC 6000A ............................................................................................ 31
Figure 22 : convertisseur DC/DC ............................................................................................. 32
Figure 23 : câble de section normalisée 90mm² ....................................................................... 32
Figure 24: structure de support................................................................................................. 33
Figure 25 : coffret de connexion .............................................................................................. 34
Figure 26 : Vue d’ensemble d’une carte Arduino UNO .......................................................... 35
Figure 27 : potentiomètre ......................................................................................................... 36
Figure 28: Vue d’une LED rouge et vert.................................................................................. 37
Figure 29 : Vue d’une résistance technique ............................................................................. 37
vii
Figure 30 : Vue d’un circuit imprimé....................................................................................... 38
Figure 31: fils de raccordements des composantes .................................................................. 38
Figure 32 : Répartition journalière de la charge électrique ...................................................... 41
Figure 33 : Représentation de l’irradiation moyenne ............................................................... 42
Figure 34: Schéma synoptique du MECCSHED ..................................................................... 47
Figure 35: Organigramme du programme de commande ........................................................ 48
Figure 36: Maquette de simulation du programme dans Proteus ............................................. 50
Figure 37: Simulation du microcontrôleur pour Vbat < 10.5 V et démarrage du générateur
diesel......................................................................................................................................... 51
Figure 38: Simulation du microcontrôleur pour Vbat > 10.5 V et Arrêt du générateur diesel. 52
Figure 39 : vue d’ensemble du module MECCSEH ................................................................ 61
viii
LISTE DES ABREVIATIONS
AIE : Agence Internationale de l’Energie
Aut : Nombre de jour d’autonomie des batteries
Cb : Capacité nominale des batteries [Ah]
EDF : Electricité de France
Ej : Rayonnement moyen quotidien
GE : Groupe électrogène
GMT : groupement de maintenance
GSM : Globale système for mobile commutations
Ibat : Courant dans les batteries
Imod : Courant débite par un module photovoltaïque
INS : Inverseur normal secours
Ipv : Courant total débité par les panneaux photovoltaïques
IS : Courant de saturation inverse de la diode
k=1,38 10-23J.K-1 : Constante de Boltzmann,
MECCSEH : Module Electronique de commutation de charge de SEH
MPPT : Maximum Power Point Tracking
ND [cm-3] : Concentration des donneurs d’électron
ni [cm-3] : Concentration intrinsèque,
Np : Nombre de cellules connectées en parallèle
Ns : Nombre de cellules connectées en série
O&M : Opération et Maintenance
Pc : Puissance crête des panneaux photovoltaïques
Pcons : Puissance demandée par le consommateur
PICOM : Projet d’Infrastructure de Télécommunication pour Madagascar
PPES : Plan de protection environnementale et sociale
Ppv : Puissance fournie par les panneaux photovoltaïque
PV : Photovoltaïque
q : Charge élémentaire d’un électron
SEH : Système d’Energie Hybride
S.T.T.R.M. : Société de Télécommunication Télévision Radio de
Madagascar
ix
T [°K]
Ubat
Vbatt
Vcom
VD
Vmod
Vmpp
Vpv
Wc
: Température Kelvin (absolue)
: Tension nominale des batteries
: Tension aux bornes des batteries
: Tension en circuit ouvert du module.
: Tension de diffusion sur une jonction
: Tension aux bornes du module photovoltaïque
: Tension au point de puissance maximale
: Tension aux bornes des panneaux photovoltaïques
: Watt crête
x
LISTE DES ANNEXES
Annexe 1 : La notice de coût sur la durée d’exploitation du système
Annexe 2 : Schéma électrique général de l’installation
Annexe 3: Générateur photovoltaïque avec les 3 convertisseurs SUNNY
MNICENTRAL 6000A Annexe 4 : Vue d’ensemble de la station
xi
INTRODUCTION GENERALE
Avec la crise pétrolière annoncée depuis quelques années, le recours aux énergies
alternatives connaît une forte expansion. Les débats sur l’avenir énergétique de la planète se
sont intensifiés compte tenu des besoins sans cesse croissants dans le domaine et les
conséquences que cela peut engendrer à moyen terme [1]. En effet, l’évolution
démographique et le développement de certaines zones géographiques comme l’Asie,
l’Amérique Latine, la Russie, laissent présager une augmentation considérable de la
consommation énergétique mondiale [1].
A ce rythme, les réserves en énergies fossiles ne pourront assurer les besoins que
pour quelques décennies encore, ce qui entrainerait des situations de pénurie dont les
prémices se sont fait ressentir à travers la crise du pétrole durant ces dernières années.
Les gisements de ressources énergétiques d’origines fissiles, même si elles offrent
une alternative à court/moyen terme, posent de réels problèmes environnementaux
(surexploitation des ressources naturelles ; traitement des déchets radioactifs…). Pour ce
faire, une première piste à cette crise annoncée a été la diminution de la consommation
énergétique par des systèmes à haute efficacité énergétique. C’est alors que sont apparus sur
le marché ces dernières années, des appareils de faible consommation d’énergie.
En parallèle, il faudra développer l’utilisation de nouvelles sources d’énergie propres
et renouvelables.
A ce sujet, le soleil, le vent, la biomasse, la mer, … apparaissent comme des énergies
inépuisables et facilement exploitables. Ainsi, d’après l’Agence Internationale de l’Energie
[1], si l’on prend l’exemple du soleil, une surface de 145000km2 (4% de la surface des
déserts arides) de panneaux photovoltaïques (PV) suffirait à couvrir la totalité des besoins
énergétiques mondiaux.
Au-delà de toutes considérations hypothétiques, il apparait que le photovoltaïque se
présente comme une solution d’avenir car il offre une multitude d’avantages à savoir :
la production de cette électricité renouvelable n'émet pas de gaz à effet
de serre, il faut cependant réduire l’impact environnemental de la fabrication du
système ;
La lumière du soleil étant disponible partout et quasi-inépuisable,
l'énergie photovoltaïque est exploitable aussi bien en montagne, dans les villages
isolés que dans les grandes villes.
1
L’électricité photovoltaïque peut être produite au plus près de son lieu de
consommation de manière décentralisée, directement chez l'utilisateur, ce qui la rend
accessible à une grande partie de la population mondiale.
Le caractère écologique du photovoltaïque peut aussi être mis en avant par rapport à
d’autres moyens de production : contrairement à ce que l’on peut croire, une installation
rembourse l’énergie nécessaire à sa fabrication dans un délai de 1 à 3 ans suivant l’ensoleillement
du site (source Agence Internationale de l’Energie) et de surcroit, permet d’économiser entre 1,4
et 3 tonnes de CO2 au cours de sa durée de vie pour 1 kWc installé [1].
Dans un contexte de crise énergétique mondial et de réchauffement climatique, il est
alors aisé de comprendre l’engouement des gouvernements, des privés à encourager
l’installation de systèmes photovoltaïques. Ainsi, le marché mondial des systèmes
photovoltaïques se verra multiplier par cinq d’ici les dix prochaines années.
Les performances à grande échelle citées plus haut sont très attractives mais avant de
les atteindre, il faudra s’affranchir de certaines contraintes en optimisant le fonctionnement
global des systèmes photovoltaïques. Plusieurs techniques sont envisagées pour parer au
problème d’intermittence de la fourniture de l’énergie solaire entre autre l’hybridation des
sources de production. Au niveau de la station où ont lieu nos expériences, l’électricité est
fournie par un groupe électrogène diesel. L’exploitant se trouve ainsi confronter à plusieurs
problèmes dont la difficulté d’approvisionnement et de stockage du gas-oil sur le site, la
disponibilité des équipes de maintenance pour les interventions urgentes, les problèmes de
pièces de rechange … c’est autant de raisons qui nous ont guidé à proposer une autre source
d’alimentation plus sûr, plus fiable et abondante pour juguler ce problème.
Ainsi, pour développer notre thème qui est « Système d’alimentation hybride
photovoltaïque/groupe électrogèned’un site Telma Comores » , notre travail se subdivise en
trois grandes parties : la première partie se focalise sur le cadre générale de l’étude, Pour ce
qui est du deuxième partie, il s'articulera aux méthodes et matériels utilisé pour ce travail et en
enfin la troisième et dernière partie parlera des résultats, des discussions et recommandations
pour aboutir ce travail.
Nous terminerons notre document par une synthèse en guise de conclusion avec des
perspectives sur les avantages des systèmes hybrides avec les groupes électrogènes dans les
petites stations.
2
PREMIERE PARTIE : CADRE DE L’ETUDE
3
CHAPITREI : PRESENTATION DE L’ENTREPRISE
I.1- Identification du centre Madagascar et Comores
Dénomination : CAMUSAT ;
Forme juridique: SARL
Année de création : 2007 ;
Adresse Madagascar : Immeuble SIRR 2, 4ème étage, AlarobiaMorarano
ANTANANARIVO 101MADAGASCAR.
Adresse Comores : CAMUSAT COMORES SCENTRE D'IMAGERIE MEDICALE, MORONI - HANKOUNOU - (1er étage)
Tel Comores: +269 (0)485 77 67
Tel Madagascar: 20 22 237 72 Fax: 20 22 237 63 B.P.8702
E-mail : [email protected]
Figure 1 : Logo de CAMUSAT
I.2- L’historique
Mise en place du projet THOMSON en 1980, qui consistait à l’installation de pylône dans la
partie sud de Madagascar. En 1999: une société sous la forme de SARL est née et dénommée
“société de Télécommunication Télévision Radio de Madagascar” par abréviation
“S.T.T.R.M.” De 1999 à 2006, le déploiement GSM pour MADACOM, jusqu’à la
construction des bureaux CAMUSAT.S.T.T.R.M fin 2006. Depuis juillet 2007, S.T.T.R.M
porte la dénomination “CAMUSAT MADAGASCAR” et octobre 2011, CAMUSAT
MADAGASCAR ainsi que les plus de 23 agences CAMUSAT dans le monde, sont intégrés à
la Holding « CAMUSAT Groupe’, devenant ainsi à nouveau un groupe indépendant.
CAMUSAT Madagascar a décroché le contrat de PICOM (Projet d’Infrastructure de
Télécommunication pour Madagascar) en 2013 pour la construction de 68 sites. Nous
approchons de l’achèvement de tous les travaux. Le site d’Ambohigogo, dans la région Sud-
4
est de Madagascar, doté d’un pylône de 55m et alimenté par une station solaire de 1500W, a
été inauguré le 01er juin dernier par le ministre de la Poste, des Télécommunications et des
Nouvelles Technologies, NeypatraikyRakotomamonjy en la présence de Neto Isabel,
représentante de la Banque Mondiale, principal bailleur de fonds et du Chef de Région, le
Général David Ranaivoson. La contribution de CAMUSAT Madagascar au désenclavement
des différentes régions de l’île n’est pas des moindres, elle s’y investit tant humainement que
matériellement.
I.3- Objectif du CAMUSAT
Les objectifs s’impliquent de :
Suivre les indicateurs de performance;
Améliorer en permanence notre système par des actions correctives, actions curatives et actions préventives;
Sélectionner les fournisseurs et prestataires de service et les intègres dans notre démarche :
Vérifier le niveau de satisfaction de nos clients ;
Pas d’accident de travail occasionnant un arrêt de travail supérieur à un jour ;
Veiller aux bonnes conditions de travail et d’hygiène des salariés ;
Assurer une bonne gestion environnementale dans tous les domaines d’activités.
I.4- Mission du CAMUSA
Le Groupe CAMUSAT porte une attention particulière au contenu et à la qualité des
produits et service fourni à ses clients par l’efficacité de leur organisation et sa réactivité.
Ainsi, le groupe CAMUSAT veille à la bonne mise en œuvre par tous les salariés de sociétés
du groupe, des moyens d’écoute des besoins des clients, à la prise en compte et à
l’anticipation de leurs attentes, en collaboration constante avec ses fournisseurs et partenaires
commerciaux, techniques et administratifs. Cette politique qualité se traduit par trois missions :
Fournir des produits, services, et solution de haute qualité, sécurisés et fiables, dès le début de la collaboration en respectant les délais.
Mener une recherche permanente d’innovation et d’amélioration continue afin d’anticiper et de répondre aux exigences les plus élevées de nos clients.
5
Compter sur l’implication de chaque salarié pour donner la priorité au client et honorer les engagements pris.
Encadrer, assister et appuyer les opérateurs de développement ;
Renforcer les capacités et les compétences régionales par la maîtrise des technologies propres ;
Gérer et protéger l'environnement (industriel, physique et sociale ...).
6
Directeur
générale
Assistante Responsable de direction qualité/RSE
Département Directeur
administrative et technique finance
Finance et
Comptable logistique
Département
Chef de projet
Bureau
Chef de projet O&M
TOM, AIRTEL,
d’étude
orange
TELMA
Achat, comptable,
contrôle de gestion, GRH etc.
Génie civile, les Services des
dessins techniques, agences (GMT)
etc. Supervision
Gardiennage Les experts
Expert en énergie
Expert en Expert en E. power
(groupe électrogène, renouvelables (énergie infrastructure
courant continue, courant solaire, éolienne) télécom
Figure 2: Organigramme de CAMUSAT
7
I.5- Conseil d’administration
La direction :
La Direction a pour taches d’appliquer les décision et programmes validés par le conseil
d’Administration. Elle a pour rôle de coordonner les différents départements techniques et
structures d’Appui.
Département Administrative :
Il sert à optimiser aux investissent financières et à évoluer la société d’une manière
bénéficières. Son rôle est de gérer la société suivi des investissements et des négociations
avec la banque.
Département des travaux :
D’assurer les travaux de calcul et de réalisation des plans établis sur site.
Département des opérations et maintenances:
Il doit être en collaboration avec la direction générale et tous les autres services. Ce dernier
doit aussi assumer les travaux de service logistique, du bon fonctionnement des processus
techniques et à la réalisation des travaux de maintenance d’installations ainsi que la fourniture
de prestation de service en énergie. De veiller à la bonne gestion de la logistique, de s’assurer
de l’application des exigences de la sécurité et de l’environnement au sein des sites d’activité
de la société.
I.6. Gestion de Sécurité, de l’hygiène et de l’Environnement
I.6.1 Gestion de sécurité
Le système de gestion « sécurité et hygiène » chez CAMUSAT Madagascar consiste à :
Définir les rôles et les responsabilités de chacun dans la société en matière de sécurité et les
intégrer dans les descriptions de postes.
Respecter les obligations légales et la législation en matière de sécurité.
Voir les risques d’accident ou d’incident.
Elaborer des mesures préventives et correctives.
8
I.6.2.Gestion de l’hygiène
Le programme d’hygiène et de contrôle visera à :
Identifier et mesurer les expositions environnementales auxquelles sont soumis les employés.
Entreprendre des contrôles
Elaborer des plans d’actions
Conserver des dossiers.
I.6.3.Gestion de l’environnement
Le système de gestion de l’environnement chez CAMUSAT Madagascar consiste à :
Identifier les aspects environnementaux dans les activités de l’entreprise.
Communiquer aux employés les règles et conduites à tenir ainsi que les précautions à prendre pour préserver l’environnement.
CAMUSAT Madagascar a récemment mis en place un plan de protection environnementale et
sociale (PPES) dans le cadre de ses activités afin d’être en phase avec sa démarche qualité et
sa politique RSE. Ce PPES fait partie intégrante des contrats établis avec les sous-traitants
pour tous les chantiers incluant entre autres la gestion des ordures, les toilettes provisoires
etc.…
I.7. Processus suivi commandes clients
Demande du client
Ouverture d’un dossier devis et enregistrement
Négociation commerciale
Types de travaux
Elaboration de devis
Traitement de commande client
Suivi paiement à compte
9
CHAPITRE II. GENERALITES BIBLIOGRAPHIQUES
II.1. Production de l’énergie électrique photovoltaïque
Avant de détailler la production de l’énergie solaire photovoltaïque, il nous semble
opportun de décrire le principe photovoltaïque permettant de transformer la lumière en
électricité ainsi que les différents paramètres pouvant influencer le fonctionnement des
panneaux.
II.2. Le rayonnement solaire
Le rayonnement émis par le soleil comporte des ondes électromagnétiques dont une
partie appelée rayonnement solaire, ne cesse de parvenir à la limite supérieure de
l’atmosphère terrestre. En raison de la valeur prise par la température superficielle du soleil
(environ 5800°K), l'énergie de rayonnement électromagnétique transmise à la terre provient
essentiellement de l’émission d’ondes lumineuses qui se situent dans le visible (entre 0,4 et
0,7 μm de longueur d'onde environ) et le proche infrarouge (entre 0,7 et 4 μm
environ).
Cette énergie, rayonnée sur une année et sur l'ensemble de la limite supérieure de
l’atmosphère, correspond à un éclairement de quelque 340 W.m– 2. Mais sur cette quantité
d’éclairement qu'apporte le soleil au système terre-atmosphère, environ 100 W.m- 2
sont
réfléchis vers l’espace ; le reste est absorbé pour un tiers par l'atmosphère et pour les deux
tiers par la surface terrestre.
Tout d'abord, près du quart de cet éclairement incident est réfléchi dans l'espace par
l’atmosphère ; pareille réflexion est essentiellement le fait des nuages (environ 65 W.m- 2
), le
reste étant dû aux autres constituants atmosphériques : le gaz et les aérosols réfléchissent
environ 15 W.m- 2
. En outre, l'atmosphère et ses nuages prélèvent par absorption 80 W.m- 2
environ sur l'éclairement solaire. Il reste donc approximativement180 W.m– 2 qui parvient à
la surface terrestre au terme d'une transmission dont à peu près les deux tiers se font
directement. Le reste s'effectuant par diffusion vers le bas ; c'est grâce à ce rayonnement
diffus que l'on peut voir sans interruption pendant le jour, même quand les nuages cachent le
soleil.
On assiste à un processus assez complexe d'interaction entre diffusion vers le bas et
réflexion. La surface terrestre possédant un albédo moyen élevé (l’albédo est la fraction d’un
rayonnement incident diffusée ou réfléchie par un obstacle), devrait renvoyer dans
10
l’atmosphère environ 50 W.m- 2
sur les quelque 180 W.m- 2
incidents ; mais en fait, la
majeure partie de l'éclairement qu'elle réfléchit ainsi lui revient tôt ou tard par diffusion vers
le bas depuis le milieu atmosphérique et s'ajoute partiellement aux 130 W.m- 2
de
rayonnement solaire non réfléchis à son contact.
Bien qu'il n'existe pas dans la réalité deux instants distincts pour l'absorption par la
surface terrestre, mais un phénomène continu d’absorption du rayonnement solaire, on peut
résumer le processus précédent en disant que tout se passe comme si les 50 W.m– 2 réfléchis
par cette surface se répartissaient entre 20 W.m-2
définitivementrenvoyés vers l'espace
interplanétaire après diffusion vers le haut à travers l'atmosphère et 30 W.m- 2
retournant à la
surface terrestre après diffusion différée vers le bas.
Ces 30 W.m- 2
s'ajoutent aux 130 W.m- 2
initialement non réfléchis pour constituer
approximativement les 160 W.m- 2
. C’est pratiquement la moitié du rayonnement solaire qui
est absorbée par la surface terrestre.
En ramenant toutes les couches de l’atmosphère dans des conditions normales (P= 1
013 mbar et t = 25°C), on a défini une atmosphère standard d’épaisseur verticale moyenne de
7,8 km prise pour référence unité et formée de couches planes et stratifiées composées par les
divers gaz comme l’azote (couche de 6 150 m), l’oxygène (1 650 m), l’argon (74 m), le gaz
carbonique (24 m)... L’eau est représentée par une couche d’épaisseur variable de quelques
dizaines de mètres pour la vapeur et de quelques centimètres pour le liquide [1].
II.3. Le générateur photovoltaïque
La cellule photovoltaïque ou encore photopile est l’élément constitutif des modules
photovoltaïques. Un panneau photovoltaïque est constitué de plusieurs modules, ces derniers
étant constitués de plusieurs cellules en série afin d’obtenir une tension souhaitée.
Le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque consiste en une
conversion d’énergie lumineuse (solaire) en énergie électrique : c’est l’effet photovoltaïque,
une des propriétés électriques des semi-conducteurs. a) Principe photovoltaïque.
A- Jonction PN
Une jonction P-N est créée par la mise en contact d'un semi-conducteur dope N
(donneurs d’électrons) et d'un semi-conducteur dope P (composé de trous).
L’interface entre ces deux régions s’appelle une jonction.
Pour réaliser des cellules photovoltaïques, il existe trois configurations de jonctions :
11
Une jonction PN (homo-jonction, i.e. : les deux régions sont constituées d’un même
matériau semi-conducteur, du silicium dans la majorité des cas) ;
Une hétérojonction (jonction entre deux semi-conducteurs différents) ;
Une jonction métal-semi-conducteur.
Dans ces trois configurations, les phénomènes physiques intervenant dans le
fonctionnement des cellules photovoltaïques sont similaires.
Les électrons de la jonction se déplacent vers la région P et les trous vers la région N.
Il ne reste que des atomes ionisés fixes. Cette zone (dite de déplétion) de porteurs libres est
appelée zone de charge d’espace créant un champ électrique. En dehors, le champ électrique
est nul.
Dans une homojonction à l’équilibre thermodynamique, à la frontière des deux
régions, il se forme pendant le processus de déplétion, une barrière de potentiel VD appelée
tension de diffusion.
VD
VD [V] tension de diffusion sur une jonction,
K 1,380662 10-23
J.K-1 Constante de
Boltzmann, T [°K] température absolue du cristal, q 1,602.10
-19 C charges élémentaires,
ND [cm-3
] concentration des donneurs,
NA [cm-3
] concentration des trous, ni [cm
-3] concentration intrinsèque,
Avec VT 26 mV à la température ambiante.
Les cellules solaires photovoltaïques sont souvent des jonctions dissymétriques,
c'est-a-dire qu’un dopage est plus fort que l’autre.
Dans ce cas, la zone de charge d’espace se trouve pratiquement dans la région la plus
faiblement dopée.
B- Production d’électricité
La cellule solaire est le lieu où la conversion d’énergie lumineuse en énergie
électrique se produit. La puissance électrique résultant de cette conversion dépend du flux et
de la répartition spectrale de l’énergie spectrale.
12
Dans une cellule photovoltaïque basée sur une jonction PN, une excitation lumineuse
crée aux alentours de la jonction, des paires électron-trou qui se déplacent sous l’influence du
champ électrique de la jonction.
Figure 3 : Principe de la conversion photon-électron dans un système a deux niveaux
d’énergie.
b) Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
La naissance d’une différence de potentiel lorsque les porteurs de charges sont crées
dans les environs de la jonction par excitation lumineuse permet à la cellule de fonctionner
comme un générateur électrique quand les deux faces de la cellule sont électriquement reliées
à une charge, par exemple une résistance R.
Figure 4 : Production d’électricité par la séparation électron-trou.
13
Les contacts de la face éclairée de la cellule ont la structure d’une grille afin de
n’occulter qu’une faible partie de la surface (5 à 10%). La face arrière peut être entièrement
métallisée.
Afin de réduire les pertes par réflexion du rayonnement incident, une couche
antireflet recouvre uniformément toute la face avant.
La puissance maximale pouvant être délivrée par le module photovoltaïque est
définie sur sa caractéristique I-V par le point de puissance maximale (MPP en anglais,
Maximum.
Power Point). Une transformation de la caractéristique de la charge connectée permet
donc de bénéficier du maximum de puissance du module.
II.4. Modélisation d’une cellule photovoltaïque
a) Générateur photovoltaïque idéal
Une cellule photovoltaïque peut être décrite de manière simple comme une source
idéale de courant qui produit un courant IPh proportionnel à la puissance lumineuse incidente
en parallèle avec une diode qui correspond à l’aire de transition p-n de la cellule PV.
Si l’on connecte une charge résistive aux bornes du générateur photovoltaïque, ce
dernier y débite une part de courant I et le reste, le courant ID, dans la diode. On a alors la
relation :
I = IPh – ID
14
Pour un générateur PV idéal, la tension aux bornes de la résistance est égale à celle
aux bornes de la diode
V = VD
Figure 5: Modèle simplifie d’une cellule PV
La diode étant un élément non linéaire, sa caractéristique I-V est donnée par la relation :
ID IS (exp ( )-1)
Avec
IS courant de saturation inverse de la diode
VT , potentiel thermique
VD tension aux bornes de la diode
Le courant débité équivaut a :
I = Iph - ID = Iph- IS (exp ( )-1
Ce modèle reste théorique et ne rend pas compte du comportement d’une cellule
photovoltaïque dans des conditions réelles. Toutefois, il reste valable sous certaines
hypothèses (non prise en compte de perte de tension, courant de fuite…). Il existe d’autres
modèles, certes théoriques, mais qui rendent plus fidèlement compte tenu du comportement
de la cellule photovoltaïque.
b) Générateur photovoltaïque “réel”
Le modèle photovoltaïque précédent ne rendait pas compte de tous les phénomènes
présents lors de la conversion d’énergie lumineuse. En effet, dans le cas réel, on observe une
perte de tension en sortie ainsi que des courants de fuite.
On modélise donc cette perte de tension par une résistance en série Rs et les courants
de fuite par une résistance en parallèle Rp.
15
Figure 6 : Modèle de la cellule PV avec prise en compte de perte en tension et courant de
fuite.
On a: I Iph- Id – Ip
IP
Nous obtenons une équation implicite en I et U qui peut être résolue grâce à une méthode
numérique (la méthode de Newton-Raphson par exemple).
c) Caractéristiques de la cellule photovoltaïque
La comparaison entre la caractéristique I-V des modèles ci-dessus et celle d’une
cellule poly cristalline réelle est représentée en figure 7. Nous pouvons remarquer que dans la
zone de fonctionnement de la cellule, la caractéristique I-V du modèle simplifié présente des
écarts non négligeables par rapport à celle d’une cellule PV réelle ; avec un même modèle à
diode réelle, on se rapproche de la caractéristique de la cellule réelle.
Enfin, on obtient une caractéristique encore plus précise grâce au modèle complet de
la cellule réelle.
16
Figure 7 : Caractéristique I-V d’une cellule PV, ensoleillement E=430W/m2,
température
T=300K (source http://emsolar.ee.tu-berlin.de/lehre/english/pv1/)
Le courant inverse dans la cellule ou courant d’obscurité est mis en évidence sur la
figure suivante 7. Pour cela, on applique une tension aux bornes de la cellule. Pour une
tension positive, la diode est dans un état passant ; pour une tension négative, elle reste
bloquée jusqu’a -15V, puis passe lentement à l’état passant. On observe à ce niveau une
dissipation d’énergie sous forme de chaleur pouvant causer des dommages irréversibles sur la
cellule.
17
Figure 8: Mise en évidence du courant inverse dans une cellule PV (source
http://emsolar.ee.tu-berlin.de/lehre/english/pv1/).
Dans un système PV, ce courant inverse peut s’établir s’il arrivait que les sources de
stockage soient déchargées dans les modules durant la nuit.
Il est donc nécessaire de protéger ces derniers en intégrant au système une diode de
blocage.
II.5. Point de puissance maximale, rendement, facteur de forme.
a) Point de puissance maximale.
Pour une cellule PV, nous pouvons définir le courant de court circuit ISC et la tension
à vide VOC. Le courant ISC correspond à la valeur du courant débité lorsque la cellule est
court-circuitée alors que VOC est la tension à ses bornes en l’absence de charge.
Si nous traçons la courbe de puissance P (avec I xV [0, ISC] x [0,VOC]), nous obtenons un
point de fonctionnement PMPP où la puissance est maximale.
18
Figure 9: Détermination de point de puissance maximale d’une cellule
b) Rendement
Nous pouvons définir le rendement d’une cellule photovoltaïque comme le quotient
de la puissance maximale et de la puissance lumineuse reçue par la cellule. Cette puissance
lumineuse correspond au produit de l’aire de la cellule par l’ensoleillement. Rendement
c)Facteur de forme
Il permet de juger de la qualité d’une cellule photovoltaïque. Il est défini comme le
rapport entre le point de puissance maximum et la puissance à courant de court-circuit et la
tension en circuit ouvert.
FF
A partir de cette définition, pour une cellule dont la caractéristique I-V est
rectangulaire (source de courant), le facteur de forme sera donc unitaire. Le facteur de forme
d’une bonne cellule photovoltaïque devra être compris entre 0,75 et 0,85
19
Figure 10 : Caractéristique idéale d’une cellule P-V
C’est dans ce quatrième quadrant où la jonction PN fonctionne en générateur, que la
tension à vide est celle de la diode en polarisation directe (0,5 à 0,8 V pour Si). La
caractéristique dans le quatrième quadrant de la jonction est donc celle de la cellule
photovoltaïque.
L’intersection de cette caractéristique avec celle de la charge donne le point de
fonctionnement de la cellule.
La caractérisation de la cellule photovoltaïque ayant été présentée, nous définirons
dans la suite, quelques facteurs pouvant influencer son fonctionnement.
II.6. Facteurs influençant le fonctionnement d’une cellule Photovoltaïque
a) Influence de l’ensoleillement ou irradiation L’apport d’énergie permettant la séparation électron-trou étant assuré par l’énergie lumineuse,
il est donc normal que l’augmentation de l’ensoleillement E entraine automatiquement
l’augmentation des paires électron-trou séparées. Le courant débité IPh est donc proportionnel à l’ensoleillement E
IPh ∞ E
20
Figure 11 : Influence de
l’ensoleillement b) Influence de la température
La température a une influence notable sur le rendement d’une cellule photovoltaïque.
De manière générale, nous pouvons définir le coefficient de température pour une variable y de la façon suivante :
Tc
Expérimentalement, on remarque que le courant de court circuit varie peu avec la
température tandis que la tension à vide est beaucoup plus influencée (de l’ordre de -0,4%/K).
La température a donc une influence non négligeable sur le rendement d’une cellule
photovoltaïque (perte de puissance de l’ordre de 9-15% pour une augmentation de30°) ; [6].
Pour le même éclairement, les courbes I-V changent avec la température des cellules.
21
Figure 12 : Influence de la température sur un
module II.7. Caractéristique d’un module photovoltaïque
Pour utiliser les cellules dans un système photovoltaïque, on est amené à les associer
en série pour augmenter la tension. Le courant est fixe par la surface de chaque cellule
élémentaire mais aussi par le nombre de cellule en parallèle. Cette association série-parallèle
doit se faire suivante des précautions car, même si les cellules sont identiques, il existe des
dispersions au niveau de leurs paramètres internes.
L’ajout d’une cellule en silicium en série correspond à une augmentation de la
tension totale d’environ 0,6 V (tension de la jonction).
Dans un groupement en série, les cellules sont traversées par le même courant et la
caractéristique résultante du groupement en série est obtenue par l’addition des tensions à
courant donné.
Figure 13 : Association en série de cellules identiques
22
Les expressions de la tension (Vmod) et du courant (Imod) du module PV sont :
Vmod = Σ Vcel
Imod = Icel
Vcel et Icel sont respectivement la tension et le courant d’une cellule PV.
Au cas où toutes les cellules ne sont pas identiques, c’est la cellule la plus faible qui impose
ses performances à tout le module, dégradant ainsi les performances de ce dernier. A titre d’exemple, on observe ce phénomène lorsque le module est en partie ombragé.
Pour une association en parallèle, nous avons un fonctionnement semblable à celui de
l’association en série. Finalement, la caractéristique d’une association série-parallèle se présente comme suit :
Figure 14: Caractéristiques résultantes d’un générateur associant np cellules en
parallèle et ns cellules en série (identiques ou éventuellement disparates)
Il apparait donc qu’une association série-parallèle de cellules PV doit respecter des
règles de sécurité rigoureuses sous peine de voir dégrader les performances du module.
A travers ce chapitre, nous avons dressé un état des lieux de la production
d’électricité photovoltaïque. Nous avons également pu constater l’évolution avec laquelle le
marché progressait dans ce contexte de crise énergétique où l’on cherche à remplacer les
énergies fossiles par le photovoltaïque, et où l’on assiste à une diversification des applications
de cette énergie. En effet, réservée au début pour de petits sites isolés, on remarque de plus en
plus l’accroissement des watt-crêtes par installation modifiant aussi les habitudes des
utilisateurs.
23
Pour faire face à cette demande croissante de puissance, on peut avoir recours à
plusieurs solutions :
augmenter la surface des panneaux PV ;
utiliser les plaques à haute rendement énergétique.
Dans le chapitre suivant, nous nous intéresserons au déroulement du stage.
CHAPITRE III : DEROULEMENT DU STAGE ET SUJET
TRAITE III.1. Etude du système d’alimentation hybride PV/diesel
Le problème avec la puissance variable et non garantie produite par les sources
d’énergie renouvelables, peut être résolu par un couplage des sources d'approvisionnement et
la formation d’un système dit hybride (SH). Un système hybride à sources d'énergie
renouvelables (SHSER) est un système électrique, comprenant plus d'une source d’énergie,
parmi lesquelles une au moins est renouvelable.
Figure 15 : schéma synoptique d’un système hybride
PV/Diesel Classification des systèmes hybrides Le champ d’application des SEH est très large par conséquent ; il est difficile de classer ces
systèmes. On peut néanmoins essayer de réaliser un classement par gamme de puissance.
24
Tableau 1 : Classification des SEH par gamme de puissances
Puissances (kW) Applications
Faible : < 5 Système autonome, station de
télécommunication, pompage de l’eau, autre
application isolée
Moyenne : 10-250 Micro réseau isolé : alimentation d’un village
isolé, des zones rurales
Grande : > 500 Grands réseaux isolé (ex. réseau insulaire)
III.2. Conception et réalisation du MECCSEH
La gestion de l’énergie dans les systèmes hybrides reste relativement complexe.
Par conséquent, dans cette perspective, une nouvelle architecture de système
énergétique hybride a été proposée. Son schéma synoptique est donné à la figure 16.
Les panneaux photovoltaïques assurent la production de l’énergie électrique pendant les
jours d’ensoleillements favorables. Il est directement connecté à un Module
Electronique de Commutation de Charge de batterie par Photovoltaïque/groupe
électrogène pour la gestion optimale de la Production.
Comme on peut le voir à la figure 16, le module électronique est au cœur de notre
système énergétique. Le cahier de charge du MECCSEH est le suivant:
Démarrer et arrêter automatiquement le générateur de secours au
besoin; Permettre la charge de la batterie par le générateur diesel lorsque celui-
ci a démarré.
25
Figure 16 : Schéma synoptique global du MECCSEH
26
DEUXIEME PARTIE : MATERIELS ET
METHODES
27
CHAPITRE IV : MATERIELS ET METHODES
IV.1. Description des matériels utilisés pour le SEH
Dans une installation, soit isolée, soit raccordée au réseau, on utilise un bus continu
intermédiaire avant de transformer l'énergie en courant alternatif. Ce bus continu présente
l'avantage d'interconnecter plus aisément divers systèmes : des charges, des sources et des
éléments de compensation, comme, le groupe électrogène (DG) et des batteries
électrochimiques qui peuvent se trouver directement en tampon sur un tel bus.
L'interconnexion au réseau se fait par l'intermédiaire d'un onduleur unidirectionnel.
IV.1.1. Les modules photovoltaïques
Un panneau photovoltaïque est constitué de plusieurs modules, ces derniers étant
constitués de plusieurs cellules en série afin d’obtenir une tension souhaitée. Le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque consiste en une conversion
d’énergie lumineuse (solaire) en énergie électrique : c’est l’effet photovoltaïque, une
des propriétés électriques des semi-conducteurs.
Figure 17 : panneaux photovoltaïques
IV.1.2. Le générateur diesel
Dans le cas des installations à sources d’énergie renouvelable autonome, il est nécessaire de
recourir au stockage ou d’ajouter un ou plusieurs groupes électrogènes diesels. Dans un SEH le générateur classique est généralement le moteur diesel directement couplé au
générateur synchrone. (Figure 18). La fréquence du courant alternatif à la sortie est maintenue
par un gouverneur de vitesse (régulateur de vitesse) sur le moteur diesel. L e gouverneur
fonctionne en ajustant le flux de carburant au diesel pour garder la vitesse du
28
moteur et la vitesse du générateur constante. La fréquence du réseau est liée directement à la
vitesse de rotation du générateur et elle est donc maintenue au niveau désiré.
Figure 18: configuration du moteur diesel
IV.1.3. Les batteries solaires
Le stockage d’énergie est un facteur clé dans un système d’énergie hybride en site
isolé. Dans la plus part des cas, les batteries représentent la technologie la plus rentable. Elles
sont d’habitude du type plombe-acide. Les batteries nickel-cadmium sont rarement utilisées.
La technologie plomb-acide bénéficie en effet d’avantages tels son faible cout (par rapport à
d’autres technologie) et une maturité étayée par un retour d’expérience conséquent. Cette
technologie est par ailleurs largement disponible dans le commerce.
29
Figure19 : Batterie solaire
IV.1.4. Les convertisseurs
Dans un SEH, des convertisseurs sont utilisés pour charger les batteries de stockage et
de transformer le courant continue en alternatif et vis- versa. Trois types de convertisseurs
sont rencontrés des les SEH :
30
a) Les redresseurs, qui réalisent la conversion CA-CC, ils sont souvent utilisés pour charger
des batteries à partir d’une source à CA.
Figure 20: vu d’ensemble des redresseurs
b) Les onduleurs qui convertissent le CC en CA. Ils peuvent fonctionner en autonome pour
alimenter des charges en CA ou en parallèles avec des sources à CA.
Figure 21 : onduleur SMC 6000A
31
c) Les hacheurs le troisième type de convertisseur permettant de réaliser la conversion
CC/CC pour adapter la tension entre deux sources.
Figure 22 : convertisseur DC/DC
IV.1.5.Les sections des câbles
Figure 23 : câble de section normalisée 90mm²
32
IV.1.6. La structure de supports
Figure 24: structure de support
IV.1.7.Les coffrets de connexions
Typiquement chaque chargeur solaire est alimenté par une corde des panneaux
solaires. L'isolement galvanique entre les panneaux solaires et l'équipement de
batteries/télécom fournit le niveau élevé de la protection et de la fiabilité de montée subite.
Les dispositifs de suppression de montée subite sont équipés de 40kA MOVS, avec
une tension claque de C.C de 460V. Le câble 3-core est adapté et prend les entrées solaires
vers le bas derrière les étagères solaires de convertisseur.
Le système d'Eltek est fourni avec des raccordements aux modules de convertisseur
pré câblés de sorte qu'il puisse facilement être installé, et puis aux fils simplement branchés.
33
Figure 25 : coffret de connexion
IV.2. Description des matériels utilisés pour le MECCSEH
IV.2.1. L’UNO
La carte Arduino UNO est un microcontrôleurATmega328 programmable permettant de faire
fonctionner des composants (moteur, LED…). Elle est dotée :
De 14 entrées/sorties (dont 6 fournissent la sortie PWM) 6 entrées analogiques
un cristal à 16 MHz
une connexion USB
une prise jack d'alimentation
un en-tête ICSP
une fonction reset.
Elle peut être alimentée via la connexion USB ou avec une alimentation externe. La source
d'alimentation est automatiquement sélectionnée. Une alimentation externe peut provenir soit
d'un adaptateur AC-DC ou d’une batterie. Le pin (ou broche) GND et V-in (alimentation
externe). Le processeur peut fonctionner sur une alimentation externe de 6 à 20 volts.
34
Cependant, si la tension est inférieure à 7V, le pin 5V peut fournir moins de cinq volts et le
processeur peut devenir instable. Si la tension est supérieure à 12V, le régulateur de tension
peut surchauffer et endommager la carte. La plage recommandée est de 7 à 12 volts.
Figure 26 : Vue d’ensemble d’une carte Arduino UNO
35
IV.2.2. Les potentiomètres
Ce sont des résistances que l’on peut faire varier manuellement (les potentiomètres de
tableau) ou avec un tournevis (les potentiomètres ajustables). Ils peuvent être aussi appelés
rhéostat ou résistance variable. C’est un élément résistif possédant trois bornes:
Deux correspondent aux extrémités du corps de la résistance,
La dernière correspond au curseur qui peut se déplacer sur le corps de la résistance. Pour le cas de notre projet nous avons utilisé des potentiomètres de 1K.
Figure 27 : potentiomètre
IV.2.3. Les LED
C'est un composant électronique qui émet de la lumière lorsqu'un courant électrique I (mA)
le traverse. Le courant I est généralement compris entre 20 et 750mAen fonction des LEDS.
Plus le courant est important et plus les LEDS émettront un flux lumineux important. La
lumière émise est monochromatique. C'est‐à‐dire qu'il n'y a qu'une seule longueur d'onde
qui sera émise.
Les principales couleurs de base sont : rouge (env. 620 nm)
ambre (env. 590 nm)
vert (env.525 nm)
bleu (env. 470 nm).
Dans notre de cas d’étude, nous avons une LED rouge pour témoigner le déclenchement
du générateur diesel et une LED vert pour témoigner l’arrêt du générateur diesel.
36
Figure 28: Vue d’une LED rouge et vert
IV.2.4. Les résistances
Dans les circuits électriques et électroniques, il faut parfois limiter l’intensité du courant
afin d’éviter l’endommagement de certaines composantes. On utilise à ces fins des
«résistances techniques » : ce sont des composantes électriques/électroniques dont la
résistance a une valeur bien déterminée.
Dans notre de figure, nous avons mis en place des résistances technique de 320 Ω.
Figure 29 : Vue d’une résistance
technique IV.2.5. Circuit imprimé
C’est un support isolant (époxy ou Bakélite) percée de trous dans lesquels sont
enfilées les broches de raccordement des composants du montage à câbler. Le dos de ce
circuit imprimé porte des pistes cuivrées matérialisant les connexions électriques devant relier
37
les composants entre eux. Les broches des composants sont soudées directement sur ces pistes
qui peuvent recouvrir les deux faces de la plaquette.
Figure 30 : Vue d’un circuit imprimé
IV.2.6. Les fils satrapes
Pour assurer les raccordements des composantes, nous avons fait recours aux fils satrapes.
Figure 31: fils de raccordements des composantes
38
CHAPITRE V : METHODOLOGIE ADOPTEE
V.1. Méthodologie utilisée pour les SEH
V.1.1. Emplacement du site
Pour cette étude, une localisation du site est considérée.
Le site se situe au Sud de la grande- Comores.
Cordonnées du site :
Latitude : 38 degré 48 minuit Nord
Longitude : 10 degré 25 minuit Sud
Temps : GMT+0 : 00.
Ce système est destiné à alimenter un relais hertzien de 5050W.
V.1.2. Caractérisation de la charge et prédétermination du profil énergétique de la
demande
Le dimensionnement d’un tel système de production de l’énergie dépend
essentiellement du profil de charge à satisfaire. La puissance demandée par les récepteurs de
nature donnée n’est pas figée le long de l’année. L’heure de sollicitement maximale du
système énergétique de la charge varie en fonction des saisons conséquence à la variation de
la durée du jour.
Les besoins énergétiques du site se divisent en deux types de charges :
Une charge à courant continu.
Des récepteurs à courant alternatif.
La caractéristique de la charge permet de spécifier le type d’application (raccordé au
réseau, hors réseau) et de caractériser les besoin en énergies (la charge électrique).
Dans notre cas d’étude, l’application est hors réseau, le but du système à énergie
hybride (SEH) est d’alimenter en énergie une charge triphasée, la charge électrique est à la
fois en courant continu (CC) et en courant alternatif (CA).
39
V.1.3. Profil de charge
C’est une description de la demande d’électricité du site. Elle incluse la charge en courant
continue et la charge en courant alternatif.
Le site est équipé d’un relais hertzien de 5050W avec une consommation estimée à
0.26kWh/jour ce qui donne une consommation journalière de 124.8kWh/jour avec une
puissance moyenne journalière de 5.2KW qui n’est pas constante toute la journée.
La distribution journalière de cette charge est représentée dans le tableau ci-dessous :
Tableau 2 : Distribution journalière de la charge électrique
Heures Charges [KW] Heures Charges [KW
00 : 00-01 :00 4.4 12 : 00-13 :00 5.1
01 :00-02 :00 4.1 13: 00-14 :00 5.2
02 :00-03 :00 3.8 14 : 00-15 :00 5.1
03 :00-04 :00 3.5 15: 00-16 :00 4.8
04 :00-05 :00 3.4 16: 00-17 :00 5.2
05:00-06 :00 3.6 17: 00-18 :00 5.4
06 :00-07 :00 4.3 18 : 00-19 :00 6.3
07 :00-08 :00 5.1 19 : 00-20 :00 7.5
08 :00-09 :00 5 20 : 00-21 :00 8
09 :00-10 :00 4.9 21 : 00-22 :00 7.6
10 :00-11 :00 5.1 22 : 00-23 :00 6.1
11 :00-12 :00 5.4 23: 00-00 :00 5.4
Le profil de charge à alimenter en électricité est illustré dans la (figure 33). Il s’agit d’une charge avec une valeur moyenne journalière de 124.8kWh/jour et un pic instantanée de 8Kw.
40
Figure 32 : Répartition journalière de la charge électrique
.
V.1.4.Estimation des ressources énergétiques solaires
L’étape essentielle dans la conception d’un système couplé est la détermination de sa
taille optimale qui dépend essentiellement des données climatiques du site. Généralement on
utilise les moyennes mensuelles des données climatiques et / ou une estimation du nombre de
jour consécutif de faible ressources climatiques (irradiation solaire) pour déterminer la taille
des panneaux photovoltaïques et la capacité des batteries. Or le comportement dynamique du
système couplé vis-à-vis de la nature stochastique de l’irradiation solaire influe d’une manière
remarquable sur la taille du système nécessaire pour une application donnée.
V.1.4.1. Potentiel solaire
Les mesures d’irradiations solaires ont été prises sur le site (24 mesures par jour) en utilisant
l’orientation et l’inclinaison des modules photovoltaïques, la latitude du lieu et les valeurs des
rayonnements globaux.
On indique en (KWh/m²/jour), pour chaque mois la quantité moyenne d’énergie solaire que
reçoit chaque jour 1m² de surface horizontale. La moyenne mensuelle du rayonnement
41
quotidien sur l’horizontale pour chacun des douze mois de l’année est donnée sur le tableau
(3) et le diagramme ci-dessous :
Tableau 3 : Répartition de l’irradiation solaire
Mois J F M A M J J A S O N D moy ye
Ej 2.60 3.35 4.35 5.80 6.02 7.38 7.22 6.12 4.22 3.9 2. 2.01 4.65
(kWh/m 3 2 7 8 3 3 7 6 1 5 6 8
2/j)
En se basant sur le tableau ci-dessus, nous allons considérer 4,65Kwh/m2/J comme valeur
moyenne de l’ensoleillement pour le dimensionnement des équipements.
Figure 33 : Représentation de l’irradiation moyenne
V.1.5. Dimensionnement énergétiques du système photovoltaïque
Pour déterminer l’énergie à produire (EP) nécessaire à la satisfaction des besoins de
l’utilisateur, il faut que l’énergie consommée (EC) soit égale à l’énergie produite à un
coefficient près.
La détermination de ce coefficient tient compte de : L’incertitude météorologique ;
L’inclinaison non corrigé des modules suivant la saison ;
42
Point de fonctionnement des modules qui est rarement optimal et qui peut être aggravé par la baisse des caractéristiques des modules (vieillissement et poussières) ;
Rendement de l’onduleur-chargeur (90 à 95%) ;
Pertes dans les câbles et les connexions.
Pour les systèmes avec parc batteries, le coefficient k est en général compris entre 0,55 et
0,75. La valeur approchée que nous allons utiliser sera de 0,75 du fait que le système est
prioritairement « fil du soleil »Suivant la formule, Ep 50,53 kWh.
Energie fournie par un panneau solaire de 125W Wj P x Ej 125 x 5,51 688,75Wh
Nombre de panneaux solaire de 125W nécessaire pour alimenter le système
N 74 modules de 125Wc par phase
Détermination de la puissance crête du générateur photovoltaïque :
Nous considérerons une irradiation moyenne (Ir) de 5,51 KWh/m2/j comme annoncer plus
haut Puissance crête : Pc 9,17 kWc
Pour des questions de performance et d’accessibilité, le choix s’est porté sur les panneaux BP
solar 3125U de puissance 125Wc (voir caractéristique en annexe). Détermination du réseau
de module : Le nombre Ns de module à mettre en série est déterminé par la tension d’utilisation
Ns 4 (4 modules de 12V à mettre en série)
Connaissant la puissance crête d’une phase et le nombre de module en série, le nombre de
branche en parallèle est défini comme suite : N// x 18,34
(19 branches parallèle à connecter par phase).
NS : nombre de modules à mettre en série
N : nombre de branches en parallèles ;
43
V.1.6. Détermination et choix des éléments du système. Batterie
L’installation des batteries est très importante pendant les nuits ou les temps de faible
ensoleillement. La capacité des batteries sera déterminée en tenant compte uniquement de
l’éclairage et des prises monophasées.
Le calcul de la capacité des batteries à installer tient compte :
De l’énergie consommée EC par jour (Wh/j)
; Du nombre de jour d’autonomie (N)
De la décharge maximale admissible D (0,8 pour les batteries au plomb).
De la tension U aux bornes de la batterie (48VCC).
Les batteries seront de type accumulateur au plomb ; chaque élément de la rame de batterie a
une capacité de 75Ah et la tension à la borne d’un élément de la rame est de 12Vcc. Au
regard de la configuration de l’installation et de la présence du groupe électrogène,
l’autonomie des batteries est fixée à 2jours.
Besoin en énergie pour assurer l’autonomie : Wt = 11400 x 2 = 22800 Wh
Capacité de la rame de batterie : C1 =
=
= 475 Ah
Perte à l’intérieur de la rame estimée à 30% C1 : CP = 0,30 x 475 = 142,5 Ah
Capacité de sécurité de la rame de batterie 30% (C1+ CP) : Cs = 0,30 x 617,5 = 185,25Ah
Capacité totale de la batterie : Ct = C1 + CP + CS = 802,75 Ah.
Onduleur
Notre choix c’est porté sur les onduleursSunny Central 6000A conçu spécialement pour les
systèmes hybrides. Ils sont composés d’onduleur sinusoïdal possédant une capacité de
surcharge élevée, de chargeur de parc à batterie et d’un système de transmission de
commande. Les connexions multifonctionnelles intégrées permettent de commander le
démarrage du générateur diesel pour recharger les batteries ou de couper le courant pour des
charges non prioritaire lorsque la charge des batteries est inférieure à un seuil prédéterminé. Grace à la fonction de répartition de la puissance intégrée, le système de transmission est à
mesure de toujours fournir la puissance nécessaire pour le bon fonctionnement des
équipements.
44
Section des câbles
Le choix de la section des câbles est capital dans le transfert des puissances surtout dans la
partie courant continu c'est-à-dire la partie panneaux solaires- onduleur- batterie. C’est la
partie où les intensités sont les plus importantes ; il va sans doute se poser le problème de
pertes joules et de chutes de tensions. L’objectif recherché est de réduire les chutes de tension
dans la partie courant continue. En considérant que la chute de tension admissible dans les câbles est de 2% ; la puissance à
transiter par phase entre panneaux et l’onduleur est de 5050 W.
Le conducteur utilisé est le cuivre ; la résistivité est : ρ=1,6 10-8 Ωm.
Courant: I
105, 20 A
La chute de tension ΔU 2% x 48 0,96V
La résistance maximale de la ligne est définie comme suit : Rmax
0,00912Ω
La longueur prévisionnelle entre les panneaux et l’onduleur est de 50m.
La section S ρ
87.10-6 m2 87 mm2 (section non normalisée).
Pour la réalisation pratique, nous utiliserons un câble de 90 mm2 par phase.
Les câbles utilisés dans la partie courant alternatifs restent inchangés.
Structure de support
Les modules solaires sont montés sur des structures en aluminium anodisés standard et
surélevées de 1,5 m du sol. Ces structures sont très résistantes et s’adaptent à toutes les
conditions. Les panneaux seront orientés vers le sud avec une pente d’inclinaison de 14° par
rapport à l’horizontal.
Coffret de connexion
Le coffret de connexion contient des dispositifs de surtension, de protection contre la foudre,
des diodes de blocage, des rupteurs d’isolation et des borniers.il est choisit en fonction de la
tension et du courant à transiter.
45
V.2. Méthodologie utilisée sur le MECCSEH
V.2.1. Organisation fonctionnelle du MECCSEH
Pour assurer la protection de la batterie, la tension aux bornes de celle-ci doit être
comprise entre 4.61 V et 5 V (pour une batterie de 12 V). En effet, les batteries au plomb
(considérées dans notre projet) sont constituées de cellules ou éléments ayant une tension
nominale de 2.1 V.
Une batterie de 12 V par exemple, est constituée de 6 cellules. Généralement, on
considère qu’un accumulateur au plomb est déchargé, lorsque la tension par cellule est
inférieure à 1.8 V. Une batterie de 12 V sera dite déchargée, lorsque la tension à ses bornes
est inférieure ou égale à 4.61 V.
Ainsi, lorsque la tension aux bornes de la batterie est inférieure à 4.61 V, le module
de gestion démarre le générateur diesel. Le générateur diesel est alors branché, afin
d’alimenter la station. Il est important de remarquer que le générateur diesel, lorsqu’il est en
marche, en plus d’alimenter la station, assure aussi la charge de la batterie.
Lorsque la tension aux bornes de la batterie est comprise entre 4.61 et 5 V, le
gestionnaire d’énergie débranche le générateur de secours, puis il branche la batterie qui
assure l’alimentation de la station en énergie électrique. Ensuite, le générateur diesel est mis à
l’arrêt.
46
Figure 34: Schéma synoptique du MECCSHED
V.2.2. Architecture du fonctionnement du MECCSEH
La tension aux bornes de la batterie est prélevée, puis soumise au bloc détecteur de niveaux
de tension. Celui-ci se charge de comparer la tension aux bornes de la batterie aux tensions de
référence que 4.61 V. Puis il délivre en sortie deux signaux numériques, dont les états nous renseignent sur la plage
à laquelle appartient la tension aux bornes de la batterie.
Le détecteur de démarrage détecte, si le générateur diesel produit de la tension et en informe
le microcontrôleur par un signal numérique. Les signaux numériques ainsi obtenus sont les
signaux de commande du microcontrôleur. Ce dernier les utilisera comme données lors de
l’exécution du programme. Ainsi, les différentes sorties du microcontrôleur seront mises aux niveaux logiques
correspondants selon les différents cas de figure. Les signaux obtenus en sortie du
47
microcontrôleur sont utilisés pour attaquer le bloc d’interfaçage chargé d’assurer le lien entre
le module de commutation et les autres éléments de notre système énergétique.
V.2.3. Gestion efficace de l’énergie par MECCSEH
Le microcontrôleur est l’élément essentiel du MECCSHED. Il est chargé de traiter
les différentes informations transmises par les autres blocs. A l’issue du traitement de ces
informations, des décisions sont prises dans le sens d’une gestion efficace de l’énergie
produite, ces informations sont ensuite transmises au bloc d’interfaçage.
Les informations reçues par le microcontrôleur sont traitées suivant un programme
de gestion efficace, dont l’organigramme est donné par la figure 35.
Nous avons programmé ce microcontrôleur en langage C, le logiciel ARDUINO,
nous a été d’une très grande utilité pour compiler et tester notre programme. Bien entendu, la
programmation a été réalisée dans le respect du cahier de charge, tel qu’illustré dans
l’organigramme.
V.2.5. Simulation du MECCSEH dans Proteus
La simulation du fonctionnement du MECCSHED a été effectuée dans le logiciel de
simulation électronique PROTEUS. Ceci s’est fait sur la platine d’essais qui suit.
Figure 35: Organigramme du programme de commande
48
Programme du MECCSEH
int cod=0;
floatUbatt=0, Ubatt0=0; floatUph=0;
// the setup function runs once when you press reset or power the
board Void setup () { // initialize digital pin 2 as an output.
pinMode(8, OUTPUT); pinMode(2, OUTPUT);
Ubatt0= (12.0*5.0)/13.0; //Ubatt0=4.61 == tension de référence // initialize serial communication at 9600 bits per
second: Serial.begin (9600);
}
// the loop function runs over and over again
forever void loop() { digitalWrite(2,LOW); cod=analogRead(A0); Serial.println(cod); Ubatt=cod*(5.0/1023.0);
Serial.print(" ");
Serial.println(Ubatt); if
(Ubatt>=Ubatt0)
{ digitalWrite(2,HIGH);
digitalWrite(8,LOW); }
else {
cod=analogRead(A1); Uph=cod*(5.0/1023.0);
if(Uph>=Ubatt0) {
Serial.println("Ph OK");
digitalWrite(2,HIGH);
digitalWrite(8,LOW);
}
else {
Serial.println("GE OK");
digitalWrite(8,HIGH); //declencher GE
digitalWrite(2,LOW); }
}
delay(1000); // wait for a second
49
Figure 36: Maquette de simulation du programme dans Proteus
Où -D2 commande le démarrage du générateur diesel. - D1 commande l’arrêt du générateur diesel. Quelques résultats obtenus au cours de cette simulation sont ici présentés:
a- Vbat<4.61 V et démarrage du générateur diesel
Dans ce cas, l’organigramme prévoit le démarrage du groupe diesel. Comme on peut le
constater sur la figure ci-dessous, la sortie Diesel émet des impulsions de démarrage chargées
de faire démarrer le groupe diesel. (Fig. 37)
50
Figure.37: Simulation du microcontrôleur pour Vbat<4.61 V et démarrage du
générateur diesel
b- Vbat>4.61 V et arrêt du générateur diesel Dans ce cas, l’organigramme procède ainsi à l’arrêt du générateur diesel et l’alimentation de
la station est de nouveau assurée par le générateur photovoltaïque. (Figure : 38).
51
Figure.38: Simulation du microcontrôleur pour Vbat>4.61 V et Arrêt du
générateur diesel.
52
TROISIEME PARTIE : RESULTATS ET
DISCUSSIONS
53
CHAPITRE VI : RESULTATS ET DISCUSSIONS
VI.1. Résultats de l’installation du SEH
VI.1.1. Résultat de l’installation des panneaux photovoltaïques
Selon la puissance totale demandée ainsi que le type de notre installation, nous avons
opté pour l’installation deux types de générateurs PV de puissance 5Wp (puissance PV totale
de 15Wp), chacun sera relié à une phase de bus d’alimentation. Nous avons choisi les
panneaux photovoltaïques du types KD180GX-LP de SUD CONCEPT, marque KYOCERA
dont les caractéristiques techniques sont résumés par le tableau ci-dessous :
Tableau 4 : Caractéristiques technique des panneaux photovoltaïques
Performances électriques sous la condition standard de test STC
Puissance maximale 180W (+/-5%)
Tension maximale 23.6V
Courant maximal 7.63A
Tension circuit ouvert (Voc) 29.5V
Courant de court-circuit Isc 8.35A
Tension maximale du système 600V
Coefficient de température Voc -1.06 x 10-1
V/°C
Coefficient de température Isc 5.01 x 10-3
A/°C
Performances électriques à 800W/m², NOCT, AM 1.5
Puissance maximale 127W
Tension maximale 20.8V
Courant maximal 6.1A
Courant de court-circuit 6.8A
Tension circuit ouvert (Voc) 26.5V
Caractéristiques du module
Nombre de cellules par module 48 cellules
Dimension (longueur x largeur x épaisseur 1341 x 990 x 36mm
Poids 16.5Kg
NOCT est le « Normal Operating CellTemperature » un paramètre fourni par le constructeur
de panneaux solaire.
54
NOCT est la température de fonctionnement des cellules photovoltaïques dans les conditions
suivantes : Un ensoleillement de 800W/m², une température ambiante de 20°C et une masse
d’aire optique AM= 1. Dans notre cas d’étude, nous prenons NOCT= 49°C.
La surface d’un module est de 1.3276m². Chacun de ces trois générateurs est constitué de 72
modules avec une surface de 95.554m². La surface totale des panneaux est donc 107. 535m².
VI.1.2. Résultat de l’installation du générateur diesel
En vu des caractères non réguliers des ressources renouvelables, un Générateur diesel est
nécessaire comme un système d’appoint. Le Générateur diesel choisi est de type 404C-22G
du constructeur PERKINS, il développe une puissance de 18.5KW.
Tableau 5 : Caractéristiques du moteur diesel
Moteur Diesel
Constructeur PERKINS
Pays UK
Model 404C-22G
Vitesse de rotation 1500tr/mn
Puissance net 18.5Kw
Nombre de cylindre 4 en ligne
Diamètre cylindre /course 84/100mm
Cylindre 2.21 litres
Aspiration Naturelle (sans suralimentation)
Refroidissement A eau
Circuit électrique(DC) 12V
100% de la charge 5.4 litre /heure
75% de la charge 4litre /heure
Consommation du carburant
50% de la charge 2.9litre/heure
25% de la charge 2.27 litre/heure
Consommation spécifique du carburant 245KG/kWh
Volume d’huile de lubrification 10.6 litres
Volume d’eau de refroidissement 6.98 litres
55
VI.1.2.1. Commande du générateur diesel
L'électronique de commande est conçue pour assurer le démarrage du GE sur
détection de seuil de tension batterie, l'arrêt du GE sur détection de seuil ou fin d'une
temporisation ajustée à 10 heures.
Elle dispose de 3 balances volumétriques associées à des relais et d'une minuterie
électromécanique.
Le seuil de démarrage compensé en température est fixé à 48,5 V à 25°c, il
correspond à une décharge d'environ 50 % de la batterie.
Le seuil d'arrêt du GE est fixé à 57 V, tension atteinte après une charge d'environ
90 % de la batterie.
Une temporisation est initialisée au moment du démarrage et provoque l'arrêt du
GE après 10 heures de fonctionnement. Elle permet d'obtenir une sécurité de temps
de fonctionnement et de limiter le temps de charge.
Un 3ème seuil fixé à 47 V permet de générer une alarme sur tension basse ; la
coupure automatique de l'utilisation n'est pas prévue.
VI.1.3. Résultat de l’installation du système de stockage : Batteries solaires
Il est possible d’assurer la fourniture de toute l’énergie nécessaire au site directement par les
deux générateur, ce pendant, dans le but de minimiser le fonctionnement du générateur diesel
et par suite les émissions de gaz, il est judicieux de rajouter un système de stockage d’énergie.
Cela nous permet d’exploiter au maximum les ressources renouvelables disponibles en
rechargent les batteries par ce derniers (solaire). En fin dans le cas d’une brusque demande
d’électricité, le stockage remplie la fonction de source tampon en attendant que le GE
démarre et permet le relais de la fourniture.
Le cas échéant les batteries sont chargées par le diesel. Les caractéristiques des batteries sont
données par le tableau ci-dessous :
56
Tableau 6 : Caractéristiques des batteries.
Spécifications Valeurs Unités
Type de courant délivré DC A
DDP 48 V
Courant de charge 192 A
Puissance 9.2 KW
Capacité nominale 1923 Ah
Etat de charge nominale 50% De la charge maximale
permise
O&M 180 € /KWh
Cout 368 €
Durée de vie minimale 10 Ans
VI.1.4. Résultat de l’installation des convertisseurs
Afin d’adapter la forme de l’énergie électrique délivrée par un composant de l’installation en
fonction de l’application visée, un convertisseur statique lui sera nécessaire connecté.
Les onduleurs jouent un rôle clé au regard de l’efficacité énergétique et de la fiabilité. Dans le
cas d’un générateur photovoltaïque, leur rôle ne se limite pas de transformer le courant
continu (DC) en généré par le panneau en courant alternatif (AC) de tension et de fréquence
souhaitée (ex. 230V 50HZ) mais consiste également à exploiter le champ ¨PV à son point de
puissance maximale « Maximum Power Point : MPP ». De plus les onduleurs doivent assurer
une surveillance fiable du réseau pour le protéger contre les défaillances et interrompre
l’alimentation en cas d’erreur du réseau.
VI.1.4.1. Convertisseurs bidirectionnel: Sunny Island 5048
Un convertisseur bidirectionnel (AC/DC redresseur, DC/AC onduleur) est nécessaire pour
assurer la conversion du courant DC, délivré par la batterie au courant AC pour alimenter les
bus (fonction onduleur). Ce convertisseur est de type SMA Sunny Island 5048 dont les
caractéristiques sont résumées sur le tableau ci-dessous. En plus de la conversion, ils assurent
les taches suivantes :
57
Contrôle de la fréquence et du potentiel
Contrôle de l’état de charge et/ou décharge des batteries (augmente ainsi la durée de vie)
Connexion et déconnexion des charges encas de surcharges
Assure la connexion avec plusieurs sources
Contrôle du fonctionnement d’autre Sunny Island
Stockage des informations (carte MMC)
Assure les fonctions de protection et de sécurité (court-circuit sur courant, température excessive).
Trois convertisseurs de ce type seront installés de tel sorte que chaque convertisseur est relié à
une phase et une rame des batteries(le circuit électrique de l’installation est triphasé).
58
Tableau 7 : caractéristique du convertisseur Sunny Island 50-40
Désignations Symbole Valeur/Unité
Valeurs de sortie
Tension nominale AC UACnom 230V (202 -253V)
(réglable)
Fréquence nominale F 50HH (45-65HZ)
(réglable)
Puissance continue AC à Pnom 5000W
25°C
Puissance continue AC à Pnom 4000W
45°C
Puissance continue AC pour P30 6500W
30mn à 25°C
Puissance continue AC pour P5 7200W
5mn à 25°C
Puissance continue AC pour P1 8400W 1mn à 25°C
Courant nominal AC IAC nom 21.7A
Courant maximal (valeur 120A (environ 60ms) /52A
crête /valeur effective) (3s)
Facteur de déphasage De -1 à +1
Valeur d’entrée
Tension nominale (plage) UAC ext 230V (172.5- 250V)
Fréquence Fext 50HZ (40-70HZ)
Courant AC maximal IAC ext 56A (2-56A)
Puissance continu maximal PAC ext 12.8Kw
Caractéristique de la batterie
Tension de la batterie (plage) UBAT nom 48V (41-63V)
Courant de charge maximal IBAT max 120A
batterie
Courant de charge continue IBAT nom 100A
Capacité de la batterie CBAT 100-10000Ah
Rendement maximal 95%
(typique)
Largeur x hauteur x profondeur en mm/poids en kg 467 x 612 x 235/ environ
63Kg
Température ambiante (service) -25°C à +50°C
59
VI.1.4.2. Onduleurs photovoltaïques : Sunny central 6000A
Conversion du courant continu en courant alternatif, les panneaux développent du
courant continu, il faut donc installer des onduleurs dont le rôle est d’injecter l’énergie solaire transformée par conversion photovoltaïque basses tension de 220V ….. 240V à une
fréquence de 50HZ. Les onduleurs utilisés sont fabrications SMA technologie, de type Sunny
Mini central 6000A (SMC6000A). Trois SMC6000A seront installés de la même manière.
Les caractéristiques techniques de ces onduleurs sont donnes par le tableau ci-dessous :
Tableau 8: Caractéristiques de l’onduleur SMC6000A
Puissance DC max 6300W
Tension DC max 600V
Plage de tension PV MPP 246-480V
Entrée (DC)
Courant d’entré max 26A
Nombre de trackers MPP 1
Nombre de string max 4
parallèle
Puissance AC nominale 6000W
Puissance AC max 6000W
Courant de sortie max 26A
Tension nominale AC plage 220V-240V/180V-260V
Sortie (AC)
Fréquence du réseau AC (auto 50HZ-60HZ +- 4.5HZ
réglable)/plage
Facteur de forme 1
Raccordement AC Monophasé
Rendement Rendement max EURO/ETA 96.1% /95.2%
Dimension (1/h/p) en mm 468/613/242
Poids 63Kg
Caractéristiques générales
Plage de température de -25°C……+60°C
fonctionnement
Autoconsommation : service, < 7W/ 0.25W
veille, nuit
60
VI.1.4.3. Redresseurs
Ils intègrent dans une même baie 5 modules à découpage à 20 kHz permettant de fournir
au total 90 A sous 57 V.La modularité du matériel permet une maintenance plus aisée et
plus rapide.
VI.3.2. Résultat sur la réalisation du MECCSEH
En se basant sur le schéma de synthèse du MECCSEH, tel que proposé à la figure 36,
le circuit électronique a été réalisé.
Les différents composants y ont par la suite été montés. Après une dernière
vérification minutieuse des soudures au fer chaud et à l’étain, le module peut être installé dans
son boîtier.
La figure ci-dessous présente une photographie du MECCSEH.
Figure 39 : vue d’ensemble du module MECCSEH
61
VI.3. Discussion sur les SEH
Dans le domaine des énergies renouvelables, le coût de production du Watt photovoltaïque est
assez élevé ; cela constitue un frein pour la vulgarisation de cette technologie combien est
bénéfique pour l’Afrique de part sa situation géographique. Le projet de production d’énergie solaire pour l’alimentation de la station participe à la lutte
contre le réchauffement climatique par la réduction des émissions de gaz à effet de serre. En
effet la diminution d’une partie de la fourniture d’énergie du groupe électrogène par les
panneaux photovoltaïques moins polluant demeure une alternative qui a de multiples
avantages :
Diminution de la dépendance à l’énergie fossile (pétrole) ;
Mise en place d’une technologie respectueuse de l’environnement (moins de pollution)
Diversification des sources d’approvisionnement énergétiques.
VI.3.1. Analyse comparative entre générateur diesel et système Photovoltaïque hybride
Fonctionnement du système Photovoltaïque hybride
Lorsque l'ensoleillement est suffisant, le générateur photovoltaïque (GPV) assure
l'alimentation en énergie, l'excès d'énergie étant stocké dans la batterie (B), le groupe
électrogène (GE) est alors au repos.
Pendant la nuit et les périodes de faible ensoleillement, la batterie assure l'alimentation du
système, mais pendant un temps relativement court. En effet, si une période de mauvais
ensoleillement se prolonge, le GE démarre automatiquement sur l'indication d'un seuil de
tension, il initialise alors une temporisation de fonctionnement.
Pendant son fonctionnement, le GE assure l'alimentation du système et la charge de la batterie
à travers le redresseur, éventuellement l'alimentation de systèmes annexes tels que l'éclairage.
L'arrêt du GE est ordonné sur l'une ou l'autre des informations suivantes : épuisement
de la temporisation (10 heures),
détection d'un seuil haut de tension batterie (57 V).
62
Dans tous les cas, la charge de la batterie n'excédera pas 90 %, la charge
complémentaire devant être réalisée éventuellement par le GPV en cas de retour à des
conditions météorologiques favorables.
Un non-démarrage ou une panne de fonctionnement du GE entraîne l'activation
d'une alarme qui est retransmise vers le centre de maintenance distant. La batterie est alors
sollicitée pendant le temps d'accès au site d'une équipe d’intervention.
Fonctionnement du générateur diesel.
Association d'un moteur à combustion interne et d’un générateur de courant, un
groupe électrogène converti l'énergie stockée dans le combustible en énergie mécanique,
avant de la transformer en énergie électrique (générateur de courant).
Les groupes électrogènes sont fréquemment intégrés à des systèmes hybrides en
guise d'unités de secours afin d'optimiser la capacité des générateurs exploitant les sources
d'énergies renouvelables. La disponibilité du combustible et le rendement des machines
constituent deux facteurs non négligeables lors de la planification d'un système hybride. En
effet, un dimensionnement inadapté du moteur à combustion interne peut engendrer des frais
considérables de fonctionnement et de maintenance, par exemple en raison d'une
surconsommation de combustible. Les générateurs diesel jouent actuellement un rôle non
négligeable dans les systèmes hybrides. Si cela peut sembler paradoxal à première vue,
l'explication est pourtant simple : pour qu'un système soit alimenté à 100 % par de l'énergie
solaire, il est impératif que le nombre de panneaux solaires soit suffisant pour assurer la
production d'électricité nécessaire même pendant les saisons les moins ensoleillées, comme
l’hivernage.
En raison des dimensions démesurées du générateur photovoltaïque qu'il imposerait,
un tel système ne serait pas économiquement viable. L'intégration d'un générateur diesel offre
une source d'énergie rapidement disponible et fiable, qui permet de réduire considérablement
la taille de l'installation solaire.
VI.3.2. Aspects économiques des systèmes hybrides
D'un point de vue économique, les systèmes hybrides sont nettement avantageux dans une
plage de puissance limitée que les installations alimentées exclusivement par des générateurs
diesel. En raison de la longévité accrue et des besoins de maintenance réduits, la taille d’un
système hybride dépend des charges potentielles à alimenter.
63
L'avantage économique des systèmes photovoltaïques hybrides sur les systèmes
exclusivement diesel devient clairement visible si l'on compare leurs coûts sur l'ensemble de
leur durée de vie. L'exemple de la station de Telma met en évidence que le surcoût de
l'investissement initial d’un système photovoltaïque hybride est compensé dès la neuvième
année d'exploitation en raison des coûts de fonctionnement nettement supérieurs des
générateurs diesel.
Plus le temps passe plus le recours à un système photovoltaïque hybride s'avère
avantageux. Les systèmes photovoltaïques hybrides peuvent d’ores et déjà être exploités avec
une garantie de rentabilité à long terme. À la lumière des coûts croissants des matières
premières énergétiques, les systèmes hybrides exploitant des énergies renouvelables
apparaissent comme une véritable alternative, qui sera progressivement mise en œuvre dans
un nombre croissant de domaine d'application.
La réduction du dioxyde de carbone (CO2) est bien visible à travers cette petite
simulation :
Tableau 9: simulation de la réduction de CO2
Consommation horaire de gas-oil du groupe 5 L/h
électrogène
Temps de marche moyen du groupe 15h
Consommation annuelle du groupe électrogène 27000 L
Densité du gas-oil diesel 843,9kg/m3
Masse de gas-oil 22,76 tonne (1t= 1,035Tep)
Quantité d’énergie produite 23,56 Tep
1 tonne équivalent pétrole (Tep) 41,8GJ
La quantité d’énergie en giga joule 984,80 GJ
Sachant que la combustion dans un groupe électrogène produit 74 Kg de co2 par Gj ;
Quantité de CO2 produite normalement par le groupe 72,87 t co2
La réduction de CO2 en mode hybridation sera de. 48,58 tco2 soit les 2/3 de la
production initiale du groupe.
64
CONCLUSION GENERALE
Nous nous sommes fixés comme objectif dans le présent travail la combinaison de
deux sources l’une renouvelable et l’autre fossile (pétrole), pour apporter une amélioration
dans le système énergétique de la station, que ce soit du point de vue énergies, fiabilité et
autonomie de fonctionnement et préservation de l’environnement.
Le travail effectué a permis de faire une étude détaillée pour la mise en place d’un
système hybride énergétique pourassurer la continuité de l'alimentation de la station. Pour ce
faire, nous avons apporté une attention particulière à l’élaboration des profils de production en
fonction des habitudes de la station, et à la détermination de la puissance des panneaux
photovoltaïques et également sur le choix optimal des composants du système.
La première difficulté majeure que nous avons rencontrée été comment déterminé la
consigne pour la commutation des sources en tenant compte de la tension et de la fréquence
des onduleurs. La fonction intégrée « droop mode » des onduleurs pour site isolé permet de
résoudre la question, tout en restituant intégralement la puissance maximale des modules
photovoltaïques.
La mise en place des batteries de stockage a été d’un grand intérêt tant du point de
vue sécuritaire que confort. Les batteries sont chargées par un courant optimal jusqu’au
voisinage de la tension de pleine charge ou le dispositif intégré de charge passe en footing
(régulation en tension).Cette énergie sera restituée pour alimenter les lampes et les prises
monophasées durant les temps mort de fonctionnement.
L’investissement dans les énergies renouvelables est très prometteur pour les pays
comme le notre (très bon ensoleillement) ; et aussi cela participe à la lutte contre les
changements climatique dont les effets sont destructeurs pour notre planète. Les systèmes
hybrides sont une alternative pour juguler le problème de la dépendance à l’énergie fossile
surtout pour les sites isolés possédant des groupes électrogènes au diesel pour assurer
l’approvisionnement en énergie. Les défis liés à la sécurité énergétique et à la lutte contre les
changements climatiques, exigent des changements immédiats dans la structure énergétique
africaine Néanmoins certaines difficultés demeurent quant au coût acquisition élevé du kit
solaire. Nous recommandons à nos gouvernants de doter notre pays d’un cadre réglementaire
et d’une stratégie de développement des énergies renouvelables, à l’instar de certains pays de
la sous-région pour que les Comores et l’Afrique profitent mieux de ce potentiel énergétique
pour nourrir une économie africaine émergente.
65
REFERENCES
BIBLIOGRAPHIES
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hybride pour habitat énergétique autonome ; Thèse de Doctorat de l’Université Henri Poincaré
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Appliquée. [3] Convertisseurs photovoltaïques” Ludovic Protin, Stephane Astier, Traite Génie
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romandes. Mars 2002. [5] Système photovoltaïque autonome: étude d’une structure modulaire à gestion répartie”
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Thèsesoutenue le 15 décembre 2008. [7]Analyse technico économique d’un système hybride(photovoltaïque/diesel) autonome sur
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installation solaire Avril 2008; Bernard Bassemel Expert Ingénieries Energie et
Environnement.
66
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[12]http://www.ren21.net/wpcontent/uploads/2016/06/GSR_2016_KeyFindings_FRENCH.pd f,
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renouvelables-avantages-inconvenients-46047/ (Date de consultation 10-12-2016). [14] http://tpephotovoltaique.e-monsite.com/pages/fonctionnement-et-rendement-de-la- cellule-photovoltaique/le-rendement-et-les-facteurs-physiques-qui-l-influencent.html, (Date
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(Date de consultation le 15-12-2016). [18] http://www.ummto.dz/IMG/pdf/memoire-18.pdf (Date de consultation 01-10-2016)
67
ANNEXES
Annexe 1: La notice de coût sur la durée d’exploitation du système Données relatives au calcul des coûts d’exploitation du groupe électrogène comparativement
à l’installation d’un système hybride sur une période de 10 ans tout en sachant que la durée
de vie des plaques solaires est prévue sur 25 ans.
Années Charges liées à Charges liées à
Exploitation du Exploitation du
système hybride
PV Groupe électrogène
0 118429232 19650000
1 122929232 36150000
2 127429232 52650000
3 131929232 68850000
4 136429232 85350000
5 140929232 101850000
6 145429232 118350000
7 149929232 134850000
8 154429232 151350000
9 158929232 167850000
10 163429232 184350000
Le coût du système hybride prend en compte le groupe électrogène, inverseur de source et le système photovoltaïque
La charge d’exploitation du groupe électrogène est essentiellement basée sur le coût du gas-oil et un coût de maintenance forfaitaire.
I
Annexe 2 : Schéma électrique général de l’installation
Le schéma électrique général est illustré ci-dessus. Il illustre toutes les connexions
entre tous les composants du système.
Les lignes rouges représentent les trois phases et ceux en bleus représentent le neutre
commun (N). La ligne en discontinue est la mise à la terre.
II
III
Annexe 3: Générateur photovoltaïque avec les 3 convertisseurs SUNNY MNICENTRAL
6000A
Mode de raccordement des PV avec les 3convertisseurs SMC6000A
IV
Annexe 4 : Vue d’ensemble de la station
V
TITRE : Système d’alimentation hybride Photovoltaïque/groupe électrogène : Cas d’un site
TELMA COMORES
RESUME
Dans le contexte de développement énergétique durable, il nous est apparu nécessaire
d’intégrer les sources d’énergies renouvelables dans les systèmes de télécommunications dans
les stations isolées de Telma Comores. Toutefois, la période de pointe de consommation est
souvent différente de cette production intermittente d’énergie solaire. Cette situation nous a
obligés à adapter une hybridation d’énergie solaire à un groupe électrogène diesel pour faire
face à cette inadéquation. Afin d’assurer un fonctionnement autonome sur le site, les nuits
pendant les périodes de faible consommation, des batteries de stockage d’énergie ont été
installé à ce titre. Cette étude menée à la station Telma Comores a révélé que malgré les coûts élevés de la
production du watt-crête, le système hybride est économiquement rentable à court et moyen
terme (environ dix ans) sur les groupes électrogènes classiques. La réduction d’émission de
gaz à effet de serre est sans doute l’un des points forts pour la promotion de cette filière. Nous
avons fait des recommandons à l’endroit de nos gouvernants de doter notre pays d’un cadre
réglementaire et d’une stratégie de développement des énergies renouvelables.
Mots clés : Hybridation, Groupe électrogène, Energie solaire, Telma Comores, CAMUSAT
ABSTRACT In the context of energy development durable, it appeared necessary to us to integrate the
renewable sources of energies in the systems of telecommunications in the stations isolated
from Telma the Comoros. However, the peak period of consumption is often different from
this intermittent production of solar energy. This situation obliged us to adapt a hybridization
of solar energy to a diesel power generating unit to face this inadequacy. In order to ensure an
autonomous operation on the site, the nights for the periods of low fuel consumption, of the
batteries of storage of energy were installed for this reason. This study led to the station telecom Telma the Comoros revealed that in spite of the high
costs of the production of the Watt-peak, the hybrid system is economically profitable in the
short and medium term (approximately ten years) on the traditional power generating units.
The reduction of gas emission for purpose of greenhouse is undoubtedly of one of the strong
points for the promotion of this die. We made recommend to the place our controlling to
equip our country with a lawful framework and a strategy of development of renewable
energies. Key words: Hybridization, Power generating unit, solar energy, Telma the Comoros,
CAMUSAT
Lieu de stage: CAMUSAT
Impétrant :
MOUSTAKIM Mahamoud
Tel: 034 79 691 45
E-mail: [email protected]
Adresse: Lot IIF 32E Andraisoro
101 Antananarivo
VI
