Modélisation d’une centrale à énergie renouvelable ... Sa… · ... commande et simulation de la centrale éolienne. ... (MSAP) 58 III.1.3 Structure et modélisation ... Système

MINISTERE DE LENSIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

-

UNIVERSITE FERHAT ABBAS SETIF

UFAS (ALGERIE)

Mmoire de Magister

Prsent au Dpartement dElectrotechnique

Facult de Technologie

Pour obtenir le diplme de

Magister en Electrotechnique

Option :

Machines lectriques et leurs commandes

Par :

Mr. GASSAB Samir

Thme :

Modlisation dune centrale nergie renouvelable

photovoltaque-olienne.

Soutenu publiquement le : 15 / 12 / 2011 devant la commission dexamen compose de :

Dr. BOUKTIR Tarek Professeur lUniversit de Stif Prsident.

Dr. RADJEAI Hammoud Matre de Confrences lUniversit de Stif Rapporteur.

Dr. MOSTEFAI Mohamed Professeur lUniversit de Stif Examinateur.

Dr. RAHMANI Lazhar Professeur lUniversit de Stif Examinateur.

Dr. GHERBI Ahmed Matre de Confrences lUniversit de Stif Examinateur.

REMERCIEMENTS

Louange et glorification Dieu, Le tout Puissant.

Je tiens d'abord exprimer ici tout mon respect et toute ma reconnaissance mon

encadreur Monsieur : Mr. RADJEAI Hammoud, Matre de Confrences lUniversit

de Stif, qui a cru en mes capacits, pour sa bienveillance, sa gentillesse, ses

encouragements et ses conseils.

Je remercie vivement les membres du jury pour avoir accept dvaluer ce modeste

mmoire :

Monsieur BOUKTIR Tarek, Professeur lUniversit de Stif, davoir accept

de juger mon travail et de prsider le jury.

Messieurs MOSTEFAI Mohamed, Professeur lUniversit de Stif

RAHMANI Lazhar, Professeur lUniversit de Stif et GHERBI Ahmed Matre de

Confrences lUniversit de Stif, pour mavoir fait lhonneur daccepter de juger mon

travail.

Je tiens galement remercier trs chaleureusement, Mr DRID Sad, Matre de

Confrences lUniversit de Batna, Mr KADRI Riad Matre de Confrences

lUniversit de Poitiers et surtout Mr CHOUDER Adel, doctorant lENP dAlger pour

leur aide prcieuse et leur soutien.

Un remerciement spcial ma belle-sur Mme

GASSAB.B pour son assistance et sa

patience tout au long de la phase de rdaction du mmoire.

En fin, je tiens remercier tous ceux qui ont contribu ce travail de prs ou de

loin.

DDICACES

A la mmoire de mon pre et de mon cher frre, que Dieu leur accorde toute sa

misricorde.

A toi chre mre, ma prfre dans cet univers : Pour lamour et laffection que tu

mas offert, pour tes conseils fructueux qui mont t prodigus, grand merci.

A ma sur et ses filles : Zineb et Rachachou.

A mes frres : Elias et Karim.

A toute la famille Mezioud et spcialement pour notre cher petit Anes-Abdallah

et sa mre que Dieu les protge.

A ma fiance

A toute la famille

A tous les amis

A tous ceux quon aime

A tous ceux qui savent

L'imagination est plus importante que le savoir.

[Albert Einstein]

Ne fais jamais rien contre ta conscience, mme si l'tat te le demande.

[Albert Einstein]

Le savant n'est pas l'homme qui fournit de vraies rponses ; c'est celui qui pose les

vraies questions.

[Claude Lvi-Strauss]

Ce n'est pas que je suis si intelligent, c'est que je reste plus longtemps avec les problmes.

[Albert Einstein]

Qui pense peu, se trompe beaucoup.

[Lonard de Vinci]

Ce qui fait la vraie valeur d'un tre humain, c'est de s'tre dlivr de son petit moi.

[Albert Einstein]

Si vous ne pouvez expliquer un concept un enfant de six ans, c'est que vous ne le

comprenez pas compltement.

[Albert Einstein]

http://www.linternaute.com/citation/3286/l-imagination-est-plus-importante-que-le-savoir------albert-einstein/http://www.evene.fr/celebre/biographie/albert-einstein-307.phphttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=faishttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=jamaishttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=rienhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=contrehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=consciencehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=memehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=etathttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=demandehttp://www.evene.fr/celebre/biographie/albert-einstein-307.phphttp://www.linternaute.com/citation/3462/le-savant-n-est-pas-l-homme-qui-fournit-de-vraies-reponses--claude-levi-strauss/http://www.linternaute.com/citation/3462/le-savant-n-est-pas-l-homme-qui-fournit-de-vraies-reponses--claude-levi-strauss/http://www.evene.fr/celebre/biographie/albert-einstein-307.phphttp://www.evene.fr/celebre/biographie/albert-einstein-307.phphttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=intelligenthttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=restehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=longtempshttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=problemeshttp://www.evene.fr/celebre/biographie/albert-einstein-307.phphttp://www.evene.fr/celebre/biographie/albert-einstein-307.phphttp://www.evene.fr/celebre/biographie/albert-einstein-307.phphttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=faithttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=vraiehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=valeurhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=etrehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=humainhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=etrehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=delivrehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=petithttp://www.evene.fr/celebre/biographie/albert-einstein-307.phphttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=pouvezhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=expliquerhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=concepthttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=enfanthttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=sixhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=comprenezhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=completementhttp://www.evene.fr/celebre/biographie/albert-einstein-307.php

Sommaire

Introduction gnrale 01

Partie I : Etat de lart des nergies renouvelables PV / olienne.

Introduction 04

Chapitre I : Contexte thorique dune chaine de production olienne.

Introduction 06

I.1 Historique et exploitation mondiale 06

I.2 Source primaire et puissance capte 08

I.2.1) Source primaire 08

I.2.1.a) Vitesse moyenne du vent 09

I.2.1.b) Turbulence du vent 12

I.2.1.c) Variation spatiale du vent 13

I.2.2) Puissance capte et limite de Betz 13

I.3 Capteur olien 16

I.3.a) Eolienne axe horizontal 16

I.3.b) Eolienne axe vertical 18

I.4 Eolienne vitesse fixe ou vitesse variable 20

I.5 La Conversion lectromcanique dans les systmes oliens 21

I.5.1 Systmes utilisant la machine asynchrone 21

I.5.1.a) Cas dune machine asynchrone cage (MAC) 22

I.5.1.b) Cas dune MAS double alimente rotor bobin (MARB) 23

I.5.1.c) Cas dune MAS double alimente sans balais (BDFM) 25

I.5.2 Systmes utilisant la machine synchrone 27

Conclusion 28

Chapitre II : Contexte thorique de lnergie photovoltaque.

Introduction 30

II.1 Historique et potentiel mondial 30

II.2 Potentiel solaire en Algrie 32

II.3 Description et principe dune cellule photovoltaque (CP) 33

II.3.a) Labsorption de la lumire dans le matriau 34

II.3.b) Le transfert dnergie des photons aux charges lectriques 37

II.3.c) La collecte des charges 39

II.4 Caractristique courant-tension dune cellule photovoltaque 40

II.5 Effet de lensoleillement et de la temprature 41

II.6 Groupement des cellules photovoltaques 44

II.6.a) Groupement en parallle 44

II.6.b) Groupement en srie 45

II.6.c) Groupement srie / parallle 46

Conclusion 48

Partie II : Modlisation, simulation et optimisation du systme hybride.

Introduction 50

Chapitre III : Modlisation, commande et simulation de la centrale olienne.

Introduction 52

III.1 Aspect gnral de la modlisation dune chaine de production olienne 52

III.1.1 Modlisation de la source primaire (vent-turbine) 52

III.1.1.a) Modlisation du vent 52

III.1.1.b) Modlisation de la voilure 54

III.1.2 Modlisation du convertisseur lectromcanique (MSAP) 58

III.1.3 Structure et modlisation du convertisseur statique (redresseur MLI onduleur) 66

III.2 Commande en vitesse de la chaine olienne 67

III.2.1 Principe et structure de la commande 68

III.2.2 Calcul du rgulateur de vitesse 69

III.2.3 Commandabilit de la machine 70

III.2.4 Rsultats de simulation et interprtation 71

III.3 Recherche du point de puissance maximale MPPT 74

III.4 Injection de la puissance exploite au rseau 79

III.4.1 Rgulation de la tension du bus continu 79

III.4.2 Injection de la puissance au rseau 80

III.4.3 Rsultats de simulation et interprtation 82

Conclusion 85

Chapitre IV : Modlisation et simulation de la centrale photovoltaque.

Introduction 87

VI.1 Description de la centrale photovoltaque 87

VI.2 Modle de la cellule photovoltaque et mise en quation 87

VI.2.1 Modlisation de la cellule photovoltaque 87

VI.2.2 Mise en quation du modle dune cellule photovoltaque 89

VI.3 Thorie du convertisseur boost 92

VI.3.1 Analyse et principe de fonctionnement du convertisseur boost 92

IV.3.1.a) Analyse lors de la fermeture de linterrupteur statique 94

IV.3.1.b) Analyse lors de louverture de linterrupteur statique 95

IV.3.1.c) Fonction de transfert de la tension en mode de conduction continue 95

IV.3.2 Comportement du convertisseur boost et limite du mode de conduction discontinue 96

IV.3.2.a) Comportement en rgime permanent 96

IV.3.2.b) Comportement en rgime transitoire 97

IV.3.3 Conditions de limite du fonctionnement discontinu 97

IV.3.4 Effet des imperfections des lments du convertisseur 97

IV.4 La poursuite du point de puissance maximale 100

IV.5 Injection de la puissance du systme photovoltaque au rseau 104

IV.5.1 Choix des lments caractristiques du convertisseur cot rseau 104

IV.5.1.a) Valeur de la tension du bus continu 104

IV.5.1.b) Valeur du condensateur du bus continu 105

IV.5.1.c) Valeur de linductance de couplage au rseau 105

IV.5.2 Rsultats de simulation et interprtation 105

IV. 6 Hybridation des deux centrales olienne / photovoltaque 107

IV. 6.1 Configuration du systme hybride 108

IV. 6.2 Rsultats et interprtation 109

Conclusion 112

Conclusion gnrale 114

Bibliographe 116

Webographie 117

Annexes 120

Liste des figures & tableaux

Chapitre I Figure I.1 : Exploitation mondiale de lnergie olienne selon GWEC. 07

Figure I.2 : Les plus grands pays exploitants dnergie olienne selon GWEC. 08

Figure I.3 : Spectre de Vanderhoven ; force du vent en fonction de la variabilit temporelle. 09

Figure I.4.a : Distribution de probabilit de Weibull de vitesse moyenne du vent. 11

Figure I.4.b : Densit de puissance par rapport la vitesse du vent. 11

Figure I.5 : Reprsentation de la densit de probabilit pour une loi normale. 12

Figure I.6 : Tube de courant autour d'une olienne. 14

Figure I.7 : Courbe typique de la puissance extraite en fonction de la vitesse du vent. 16

Figure I.8 : Capteurs axe horizontal. 16

Figure I.9 : Type de montage dune voilure axe horizontal. 17

Figure I.10 : Limitation de puissance olienne a) pitch, b) dviation verticale de laxe. 18

Figure I.11 : Capteurs axe vertical. 19

Figure I.12 : Classement des types dolienne selon le coefficient . 20

Figure I.13 : Puissance dune olienne typique en fonction de la vitesse de la machine et celle. 21

Figure I.14 : Caractristique couple/vitesse d'une machine asynchrone 2 paires de ples. 22

Figure I.15 : Systme olien vitesse fixe base dune machine asynchrone cage. 23

Figure I.16 : Systme olien base dune MAS dissipation dnergie rotorique. 24

Figure I.17 : Effet de variation de la rsistance rotorique sur le couple lectromagntique. 24

Figure I.18 : Systme olien base dune MAS (structure de Scherbius). 25

Figure I.19 : Rotor cage classique et rotor de machine asynchrone brushless . 26

Figure I.20 : Systme olien base dune MAS sans ballais. 26

Figure I.21 :Systme olien base dune MS rotor bobine ou aimant. 27

Chapitre II Figure II.1 : Taux de radiation annuel moyen en 31

Figure II.2 : Taux dexploitation dnergie photovoltaque entre les nergies renouvelables. 31

Figure II.3 : Irradiation globale journalire reue sur plan horizontal au mois de Juillet. 32

Figure II.4 : Irradiation globale journalire sur plan horizontal au mois de Dcembre. 33

Figure II.5 : Constitution dune cellule photovoltaque. 34

Figure II.6 : Normes de mesures du spectre dnergie (notion de la convention ). 35

Figure II.7 : Dfinition de la masse dair Air mass . 35

Figure II.8 : Spectres Solaires relevs dans plusieurs conditions selon la convention AM. 36

Figure II.9 : Distribution spectrale dune radiation solaire. 37

Figure II.10 : Niveaux nergtiques dun conducteur isolant et semi-conducteur. 38

Figure II.11 : Schma de principe de la conversion photolectrique. 39

Figure II.12 : Caractristique courant-tension dune cellule solaire. 40

Figure II.13 : Puissance et facteur de forme dune cellule solaire. 41

Figure II.14 : Caractristique I-V dune cellule solaire pour diffrent ensoleillement. 42

Figure II.15 : Caractristique I-V dune cellule solaire pour diffrentes tempratures. 43

Figure II.16 : Mise en parallle de trois cellules photovoltaques. 44

Figure II.17 : Caractristique I-V de la mise en parallle des cellules solaires. 45

Figure II.18 : Mise en srie de trois cellules photovoltaques 45

Figure II.19 : Caractristique I-V de la mise en srie des cellules solaires. 46

Figure II.20 : Panneaux photovoltaque base de modules. 47

Chapitre III Figure III.1 : Constitution dune chaine de production olienne. 52

Figure III.2 : Profil du vent avec et sans filtre spatial pour . 54

Figure III.3 : Entres-sorties du modle de la voilure. 55

Figure III.4 : Dimensions gomtriques de la voilure Savonius. 55

Figure III.5 : Schma bloc dune turbine olienne. 56

Figure III.6 : Courbe caractristique retenue par des essais pratiques. 57

Figure III.7 : volution du couple et de la vitesse la sortie de la turbine. 57

Figure III.8 : Types de moteurs selon la disposition des aimants permanents. 58

Figure III.9 : Reprsentation dune MSAP dans le repre ABC . 59

Figure III.10 : Reprsentation dune MSAP dans le repre . 61

Figure III.11 : Rsultats de simulation de la GSAP en charge. 65

Figure III.12 : Structure dun onduleur de tension triphas. 66

Figure III.13 : Schma fonctionnel de la commande. 68

Figure III.14 : Schma bloc de la boucle dasservissement de vitesse. 69

Figure III.15 : Temps de rponse rduit en fonction de dun systme 2eme ordre. 70

Figure III.16 : Vitesse de rfrence et vitesse de la GSAP. 72

Figure III.17 : Allure du couple olien et du couple lectromagntique. 72 Figure III.18 : Allure des courants dans la machine : et . 73

Figure III.19 : Ligne de puissance optimale et points MPP pour diverses vitesses de vent. 74

Figure III.20 :Principe de la MPPT dans le plan . 75

Figure III.21 : Organigramme de lalgorithme . 76

Figure III.22 : Profil du vent utilis dans lMPPT. 77

Figure III.23 : Caractristiques mcaniques et lectriques dalgorithme . 78

Figure III.24 : Boucle dasservissement de la tension du bus continu. 80

Figure III.25 : Schma bloc de commande du processus dinjection 81

Figure III.26 : Courant de rfrence et courant inject au rseau. 83

Figure III.27 : Rgulation de la tension du bus continu. 84

Figure III.28 : Puissance active et ractive avec leurs rfrences. 84

Chapitre IV Figure IV.1 : Schma synoptique dune centrale photovoltaque. 87

Figure IV.2 : Schma quivalent dune cellule photovoltaque. 88

Figure IV.3 : Mise en court-circuit dune cellule photovoltaque. 89

Figure IV.4 : Caractristique I-V et P-V dun . 91

Figure IV.5 : Structure dun hacheur survolteur. 92

Figure IV.6 : Structure dun hacheur survolteur. 93

Figure IV.7.a : Structure dun hacheur survolteur. 94

Figure IV.7.b : Structure dun hacheur survolteur. 95

Figure IV.8 : Schma quivalent du boost non idal. 98

Figure IV.9 : FT du boost en prenant en compte limperfection de ses paramtres. 98

Figure IV.10.a : Tension de sortie dun hacheur boost avec =40V et D=0,7 . 99

Figure IV.10.b : Tension de sortie dun hacheur boost =40V et D=0,966 . 100

Figure IV.11 : Diagramme en circuit dun systme photovoltaque (PV-boost-MPPT). 101

Figure IV.12: Profil de la source primaire ( et ) du systme PV. 102

Figure IV.13 : Puissance extraite du PS . 102

Figure IV.14 : Tension de sortie du PS . 103

Figure IV.15 : Courant de sortie du PS . 103

Figure IV.16 : Rapport cyclique du boost. 103

Figure IV.17 : Puissances du PS injectes au rseau (puissance active et ractive). 106

Figure IV.18 : Courant du PS inject au rseau. 107

Figure IV.19 : Allure de la tension du bus continu. 107

Figure IV.20 : Schma synoptique de lhybridation des centrales PV- olienne. 108

Figure IV.21 : Profil densoleillement et de temprature utiliss dans le systme hybride. 109

Figure IV.22.a : Puissance active injecte au rseau du systme hybride. 109

Figure IV.22.b : Puissance ractive injecte au rseau du systme hybride. 110

Figure IV.23 : Courant inject du systme hybride. 110

Figure IV.24 : Tension du bus continu. 110

Figure IV.25 : Ecart entre les sommes des deux puissances 111

Figure IV.26 : Allure des diffrentes puissances existantes dans le systme hybride. 111

Tableau I.1 : Longueur et exposant de rugosit pour diffrents types de surface. 13

Tableau III.1 : Principe de control de lMPPT. 75

Tableau IV.1 : Valeurs des composants passifs du systme (PV). 101

Liste dacronymes &abrviations

http://www.google.com/url?sa=t&source=web&cd=1&ved=0CB0QFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.gwec.net%2F&rct=j&q=GWEC&ei=yhANTarRDJGeOurFuLUJ&usg=AFQjCNHwnBQVNv7sXNx4ROl9ieWwkJVrXA&cad=rja

1

INTRODUCTION GNRALE

Dans le sens commun, le mot nergie dsigne tout ce qui permet d'effectuer un travail,

produire une quantit de chaleur ou de lumire, deffectuer un mouvement, etc. Depuis

lantiquit, lindividu sintressa fabuleusement aux diffrents effets de ce terme mystrieux

(nergie). Commenant par le feu, qui fut la premire source dnergie dcouverte depuis la

prhistoire jusqu lexploitation industrielle du ptrole, qui date de la seconde moiti du

XIXme sicle. Ces sources dnergie (nergies fossiles) ont linconvnient majeur dtre en

quantits limites contrairement quelques sources dnergies, rcemment dcouvertes, appeles

nergies renouvelables. Les sources d'nergies renouvelables prsentent l'avantage d'tre

disponibles en quantit illimite, leur exploitation est un moyen de rpondre aux besoins en

nergie, tout en prservant lenvironnement [ ( )] . Diverses, sont les formes dnergies

renouvelables existantes, ainsi nous citons les principales : nergie olienne, solaire, hydraulique,

nergie issue de la biomasse (cest l'ensemble de la matire organique d'origine vgtale ou

animale), nergie gothermique (provient de la chaleur accumule dans le sous-sol). Les plus

utilisables de nos jours sont : lnergie olienne et photovoltaque.

Les nergies solaire et olienne sont omniprsentes, ce qui exige parfois lhybridation de

ces deux systmes. Les systmes hybrides d'nergie solaire-olienne, utilise deux sources

d'nergie renouvelables, permettra d'amliorer l'efficacit du systme et la fiabilit de puissance

et de rduire les besoins en stockage d'nergie pour des applications autonomes [ ( )] .

Ce mmoire pour objectif dtudier une centrale hybride de production dnergies

renouvelables photovoltaque / olienne , il sera rdig en deux parties scindes en quatre

chapitres :

Premire partie : Etat de lart des nergies renouvelables photovoltaque-olienne.

Cette premire partie est constitue de deux chapitres thoriques prsentant un rcapitulatif

gnral concernant les nergies renouvelables photovoltaque-olienne.

Le premier chapitre sera consacr aux nergies oliennes : leur historique et exploitation

mondiale, leur source primaire et puissance capte, leurs diffrents types ainsi que les diffrentes

structures des convertisseurs lectromcaniques utiliss dans ces systmes (systme olien).

Le deuxime chapitre fera lobjet de la thorie des nergies renouvelables photovoltaques,

nous commencerons commenant par le principe de leffet photovoltaque et celui dune cellule

solaire, ensuite, nous entamerons les diffrentes caractristiques dune cellule photovoltaque,

nous finirons donc, par le groupement des cellules lmentaires en formant les panneaux solaires.

http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=1312http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=2978http://www.google.com/url?sa=t&source=web&cd=5&ved=0CDUQFjAE&url=http%3A%2F%2Fwww.universalis.fr%2Fencyclopedie%2Fprehistoire-l-homme-et-le-feu%2F3-le-feu-source-de-lumiere-et-de-chaleur%2F&rct=j&q=la%20premi%C3%A8re%20source%20d%27%C3%A9nergie%20d%C3%A9couverte%20par%20l%27homme&ei=8A00TsHtOMPvsgbdgqm5Ag&usg=AFQjCNGKkwOvjrAIMxaN0vBszeSmvsX8Gg&cad=rja

2

Deuxime partie : Modlisation, simulation et optimisation de la centrale hybride.

Cette deuxime partie prsente ltude technique de la centrale hybride, elle est compose

de deux chapitres ( et ) assurant la modlisation, la simulation et loptimisation de la

puissance exploite, ainsi que, la phase dinjection de cette puissance un rseau .

Le troisime chapitre, propose la modlisation des diffrents lments constituant la partie

olienne, incluant la source primaire (vent et turbine), le convertisseur lectromcanique et en

terminant par le model du convertisseur statique. Une fois la totalit de la centrale est modlise,

nous procderons sa commande en commenant par la commande en vitesse de la machine afin

datteindre la vitesse optimale permettant lextraction de la puissance maximale, en suite nous

aboutirons la commande de londuleur connect au rseau afin dinjecter ce dernier, la

puissance lectrique exploite.

Le dernier chapitre, quant lui, sera consacr la deuxime partie du thme, il sagit

bien de la modlisation et la commande dune centrale photovoltaque. Ce volet, offrira un aspect

de modlisation et de commande dun systme photovoltaque, il sera constitu dun : panneau

photovoltaque, convertisseur et dun onduleur connect au rseau. Lextraction de la

puissance maximale sera effectue en ajustant la tension de sortie du panneau photovoltaque

( ) la tension du point de puissance maximale ( ), via un hacheur lvateur ( ), cette

quantit de puissance sera aussi injecte au rseau. La dernire phase de cette tude est destine

lhybridation des deux centrales au niveau du bus continu, afin quelles dbitent leurs nergies au

rseau sous un seul bus continu et un seul onduleur.

Nous clturons ce mmoire par une conclusion gnrale rcapitulant son contenu avec

quelques perspectives envisageables.

Premire partie

Etat de lart des nergies renouvelable

photovoltaque /olienne.

4

Etant donn la facilit avec laquelle le soleil

fait sortir les gens de chez eux, on est amen

penser que l'nergie solaire pourrait faire

fonctionner peu prs n'importe quoi .

Quand le vent du changement se lve, les

uns construisent des murs, les autres des

moulins vent (Proverbe chinois).

Les nergies renouvelables sont des formes d'nergies dont la consommation ne diminue

pas la ressource l'chelle humaine. Le soleil est la principale source des diffrentes formes

d'nergies renouvelables, son rayonnement est le vecteur de transport de l'nergie utilisable

(directement ou indirectement) lors du cycle de l'eau (qui permet l'hydrolectricit), le vent

(nergie olienne), l'nergie des vagues et des courants sous-marins (nergie hydrolienne) etc.

Durant ces dernires dcennies, les chercheurs et scientifiques ont port une attention

considrable aux nergies renouvelables : oliennes et photovoltaques. La technologie olienne

et photovoltaque (PV) fait partie d'une nouvelle famille de petites centrales de production

d'lectricit faibles missions de carbone arrivant une certaine maturit technologique, elle

s'avre tre une solution de plus en plus fiable pour rpondre aux besoins en lectricit.

Avant dentamer une tude technique des centrales oliennes et photovoltaque, il est

prfrable de sentourer dun tat dart appropri chaque type de ces centrales (oliennes et

photovoltaque).

Cette premire partie compose de deux chapitres, pour but de bien claircir ltat dart

de ces types dnergies renouvelables (olienne - photovoltaque). Nous nous intresserons aux

axes suivants :

Sources primaires et exploitation locale et mondiale des ces nergies.

Principes physiques de conversion en nergie lectrique.

Types de convertisseurs statiques et lectromcaniques utiliss.

Caractristiques dextraction de puissance de ces nergies.

Diffrents types de structures utilises.

Avantages et inconvnients des ces nergies.

http://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=donnehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=facilitehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=laquellehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=soleilhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=faithttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=sortirhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=genshttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=chezhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=amenehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=penserhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=energiehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=solairehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=pourraithttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=fairehttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=fonctionnerhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=peuhttp://www.evene.fr/citations/mot.php?mot=importehttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergiehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_solairehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Cycle_de_l%27eauhttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_hydro%C3%A9lectriquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_%C3%A9oliennehttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_hydrolienne

Chapitre I

Contexte thorique dune chaine de

production olienne.

Introduction

I.1 Historique et exploitation mondiale

I.2 Source primaire et puissance capte

I.2.1) Source primaire

I.2.1.a) Vitesse moyenne du vent

I.2.1.b) Turbulence du vent

I.2.1.c) Variation spatiale du vent

I.2.2) Puissance capte et limite de Betz

I.3 Capteur olien

I.3.a) Eolienne axe horizontal

I.3.b) Eolienne axe vertical

I.4 Eolienne vitesse fixe ou vitesse variable

I.5 La Conversion lectromcanique dans les systmes oliens

I.5.1 Systmes utilisant la machine asynchrone

I.5.1.a) Cas dune machine asynchrone cage (MAC)

I.5.1.b) Cas dune MAS double alimente rotor bobin (MARB)

I.5.1.c) Cas dune MAS double alimente sans balais (BDFM)

I.5.2 Systmes utilisant la machine synchrone

Conclusion

Chapitre I Contexte thorique dune chaine de production olienne.

6

Ce premier chapitre sera destin la partie olienne : historique, exploitation, source

primaire et puissance du vent, sa constitution ainsi que les diffrentes structures de convertisseurs

lectromcaniques existantes.

I.1 Historique et exploitation mondiale

L'nergie du vent a t exploite au dbut partout dans le monde, depuis l'histoire

enregistre. Il existe certaines preuves que l'nergie olienne a dirig des embarcations le long du

fleuve du Nil autour de avant . L'utilisation du vent pour fournir la puissance

mcanique est venue un peu plus tard dans l'antiquit en .De simples moulins

vent ont commenc le pompage de l'eau en Chine et des moulins axe vertical avec voiles de

roseaux tisss ont moulu le grain dans le Moyen-Orient. Les Europens ont eu l'ide d'utiliser

l'nergie olienne des Perses, quils ont introduit dans l'Empire romain en .

Cependant, les premiers moulins vent concrets ont t faits en Afghanistan autour du

sicle de notre re, depuis, la technologie s'est amliore jusqu la fin du

sicle, les gens au Moyen-Orient ont largement utilis des moulins vent pour la production

alimentaire. Les Hollandais ont raffin le moulin vent et l'ont adapt pour le drainage des lacs et

des marais en [ ( )] . Lnergie olienne joue un rle conomique important

jusquau dbut du sicle. Ensuite, ce rle diminue par suite de laccroissement rapide

de lutilisation des nergies fossiles.Toutefois au sicle, sappuyant sur les progrs de

larodynamique, certaines tentatives de ralisation de nouvelles machines sont faites. Aux tats-

Unis, en ex-URSS, en Angleterre et en France par lectricit de France autour de 1960, des

oliennes puissantes, jusqu environ, ont t essayes. Malgr des rsultats

encourageants, cest de nouveau labandon, le ptrole bon march se substituant toutes les

autres formes dnergie. Laugmentation brutale du prix du ptrole relance lnergie olienne. La

crainte de nutiliser quune seule nergie, dont lapprovisionnement peut tre alatoire, les ides

cologiques orientent certains pays vers cette forme inpuisable et nationale. Des progrs

importants dans larodynamique, larrive de nouveaux matriaux vont permettre dexploiter ce

gisement mondial estim partir de nouvelles machines fiables et diminuer le prix

de lnergie produite, qui ne devient plus marginale dans certains pays comme le Danemark ou

certaines contres comme la Californie [ ( )]


7

Lnergie olienne est dveloppe par de trs nombreux pays et connat une croissance trs

importante : par an en moyenne depuis ans ( en ). En , de

nouvelles capacits oliennes ont t installes plus de dans le monde et les

installes ont t dpasses, dbut . Lolien reprsente dsormais

millions de de production lectrique par an, soit de la consommation totale

dlectricit dans le monde. Les experts du (conseil mondial de lnergie olienne)

prvoient le maintien dune croissance soutenue de lolien, conduisant un parc install de prs

de en et de en [ ( )]

Figure I.1 : Exploitation mondiale de lnergie olienne selon

GWEC (Global Wind Energy Council) [ ( )] .

Les pays les plus exploitants dnergie olienne sont : les tats-Unis d'Amrique,

lAllemagne, la Chine et lEspagne selon lhistogramme de la figure ( ).

Lexploitation dnergie olienne en Afrique trouve une trs faible contribution mondiale,

les deux pays les plus exploitants sont : lEgypte et le Maroc. Le premier avec une capacit totale

de production de (enregistre la fin 2008) avec un taux de croissance annuel

de , tandis que le Maroc produit environ . Selon le conseil mondial de lnergie

olienne ( ), une contribution de lAlgrie dans ce domaine reste rvler [ ( )].

http://www.google.com/url?sa=t&source=web&cd=1&ved=0CB0QFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.gwec.net%2F&rct=j&q=GWEC&ei=yhANTarRDJGeOurFuLUJ&usg=AFQjCNHwnBQVNv7sXNx4ROl9ieWwkJVrXA&cad=rja


8

Figure I.2 : Les plus grands pays exploitants dnergie olienne selon GWEC [ ( )] .

I.2 Source primaire et puissance capte

La puissance lectrique la sortie dun systme olien est issue dune puissance mcanique

voire arodynamique capte par la turbine olienne. La source primaire de cette nergie se situe

dans le vent incident sur la voilure. De ce fait, une tude quantitative de ces deux paramtres (le

vent- la puissance dans le vent) savre ncessaire.

I.2.1) Source primaire

Le vent est la raison dtre des arognrateurs, il sagit dun dplacement horizontal d'air

produit par la force du gradient de pression. Lorsqu'il existe une diffrence de pression entre deux

points, l'air circule de l'endroit o la pression est la plus leve vers l'endroit o elle est la moins

leve. Dans le langage des mtorologues, on dit que l'air se dplace de la haute pression vers la

basse pression. Le vent est un phnomne alatoire qui prsente de grandes variabilits que nous

pouvons classer en deux groupes : la variabilit temporelle et la variabilit spatiale.

La variabilit temporelle comprend trois sous-groupes :

- A basses frquences : les variations annuelles, saisonnires, mensuelles.

- A moyennes frquences : les variations journalires, horaires.

- A hautes frquences : les variations la seconde ou plus haute frquence (au-dessus de

1Hz) caractrisent la turbulence du vent.

http://galileo.cyberscol.qc.ca/intermet/glossaire/glossaire_p.htm#pression


9

Les diverses variabilits temporelles sont rcapitules ci-dessous, dans le spectre

de Vanderhoven .

Figure I.3 : Spectre typique de Vanderhoven montrant la force du vent

en fonction de la variabilit temporelle.

La variabilit spatiale, quant elle, concerne principalement la variation verticale et le

champ des directions du vent [ ( )]

Bien que le vent soit un phnomne alatoire, nous pouvons prvoir son modle

approximatif en tenant compte :

Des variations basses et moyennes frquences prsentant la valeur moyenne du vent modlis.

Des variations hautes frquences prsentant la turbulence du vent modlis.

Des variations spatiales.

La concentration de l'nergie autour de deux frquences nettement spares, (basses-

moyennes et haute frquences), permet de rpartir la vitesse du signal du vent (t) en deux

composantes :

( ) ( ) ( ) ( )

La vitesse du vent quasi-stable (gnralement appele vitesse moyenne du vent)

( ) est obtenue comme la moyenne de la vitesse instantane sur un intervalle de

temps

( ) ( )

( )


10

Habituellement, la priode moyenne est choisie pour se situer l'intrieur de l'cart

d'nergie, plus prcisment autour de (selon la figure ( )). Lorsque c'est le

cas, les changements macro-mtorologiques dans la vitesse du vent apparaissent comme des

fluctuations lentes de la vitesse moyenne du vent, alors que le terme ( ) dsigne la

turbulence atmosphrique (variations rapides qui peuvent atteindre une frquence gale

lunit) [ ( )] .

I.2.1.a) Vitesse moyenne du vent

La connaissance de la vitesse quasi-constante moyenne du vent qui peut tre attendue dans

un site potentiel est cruciale pour dterminer la viabilit conomique d'un projet d'nergie

olienne. Ces donnes sont galement essentielles pour slectionner l'efficacit du WECS (Wind

Energy Conversion System) afin de maximiser et dtudier sa durabilit. La distribution de

probabilit de la vitesse moyenne du vent est prdite partir des mesures recueillies pendant

plusieurs annes (gnralement dix ans [ ( )] ). Toutes ces donnes sont gnralement disposes

dans un histogramme. La distribution des vents obtenues exprimentalement peut tre approche

par une distribution de Weibull , telle que reprsente dans la figure ( )[ ( )] La

distribution de Weibull est donne par :

( ( ))

( ( )

)

( ( )

)

( )

- et sont respectivement les coefficients de forme et d'chelle. Ces coefficients

sont ajusts pour correspondre aux donnes du vent un site particulier [ ( )]

- ( ( )) Est la fonction de densit de probabilit de Weibull, cest la probabilit

d'observation d'une vitesse moyenne de vent ( ), en

Il existe plusieurs mthodes permettant de calculer les paramtres k et c de la loi de

Weibull partir des donnes brutes de vitesses de vent prises durant une priode dtermine, les

deux mthodes principalement utilises sont la mthode des moindres carres et la mthode

MLM (mthode du maximum de vraisemblance mthode itrative : Maximum Likelihood

Method ( ) Cette dernire est une mthode itrative de dtermination du paramtre de

forme k . Sa valeur est dfinie l'aide de la formule suivante :

(

( ) ( ( ))

( )

( ( ))

)

( )


11

- : paramtre de forme dterminer par calcul itratif en prenant une valeur initiale de

(cette valeur est prise comme point de dpart car l'exprience a montr que la valeur

finale varie entre et dans la plupart des cas) [ ( )]

- ( ) : en m/s, vitesse non nulle du vent un instant .

- : nombre de donnes de vitesses de vent non nulles.

Ensuite, on dtermine la valeur du paramtre d'chelle l'aide de la formule suivante :

(

(

( ))

)

( )

Figure I.4 : ( ) Distribution de probabilit de Weibull de la vitesse moyenne du vent.

( ) Densit de puissance par rapport la vitesse du vent [ ( )] .

La fonction de probabilit de Weibull rvle dans le cas particulier de la figure ( ), la

moyenne la plus probable de la vitesse du vent est d'environ alors que la vitesse

moyenne du vent est de [ ( )]

I.2.1.b) Turbulence du vent

La turbulence est videmment la partie la plus dlicate modliser, puisqu'elle est trs

difficile caractriser. En gnral, deux types de rsultats sont utiliss cette fin. Le premier,


12

plus simple, donne le facteur d'intensit de turbulence du site, alors que le second est le trac

du spectre. Le facteur d'intensit de turbulence est dfini comme suite [ ( )] :

( ) ( )

O et ( ) , en , dsignent respectivement l'cart-type et la moyenne de la

vitesse du vent. partir de ces donnes nous pouvons tracer la rpartition des vitesses autour de

cette vitesse moyenne et ainsi caractriser graphiquement la turbulence, tout en considrant que

les valeurs des vitesses de vent varient autour d'une valeur moyenne suivant une loi normale.

La loi normale est dfinie par l'quation suivante :

( )

(

( ( )

)

) ( )

Avec et , en m/s, dsignent respectivement l'cart-type et la moyenne de la vitesse

du vent. Par exemple, la reprsentation de la courbe de densit de probabilit suivant une loi

normale de moyenne et d'cart-type a t trace la figure ( ) [ ( )].

Sur ce graphique, sont aussi reprsentes les zones suivantes :

La zone borne par et , dans laquelle nous retrouvons 68% des valeurs.

La zone borne par et , o nous retrouvons 95,5% des valeurs.

La zone borne par et , dans laquelle on retrouve 97,7% des valeurs.

Figure I.5 : Reprsentation de la densit de probabilit pour une loi normale.

I.2.1.c) Variation spatiale du vent

La vitesse moyenne du vent est galement une fonction de la hauteur. Le sol, mme en

l'absence d'obstacles, produit des forces de frottement ainsi que le retard du vent dans les basses


13

couches. Ce phnomne, appel cisaillement du vent, est plus sensible mesure que diminue la

hauteur et a des effets importants sur le fonctionnement des oliennes. Diffrents modles

mathmatiques ont t proposs pour dcrire le cisaillement du vent. L'un d'eux est la

logarithmique de

( )

( )

( )

( ) ( )

est la hauteur au-dessus du niveau du sol, est la hauteur de rfrence

(gnralement ) et est la longueur de rugosit. Les valeurs typiques de ce paramtre

pour diffrents types de terrain sont numres dans le tableau ( ) Une autre formule

empirique souvent utilise pour dcrire l'effet du terrain sur le gradient de vitesse du vent est la

loi exponentielle suivante.

( ) ( ) (

)

( )

O l'exposant de la rugosit de surface est galement un paramtre dpendant du

terrain. Les valeurs de pour diffrents types de surface sont prsentes dans la dernire

colonne du tableau ( )

Tableau I.1 : Les valeurs typiques de la longueur de rugosit et exposant de rugosit

pour diffrents types de surface.

I.2.2) Puissance capte et limite de Betz

Considrons le systme olien axe horizontal reprsent par la figure ( ), sur lequel

nous avons reprsent la vitesse du vent en amont de larognrateur, la vitesse en

aval et la vitesse auprs du plan du rotor. Reprsentent respectivement : la

surface l'entre du tube de courant, celle de sortie et la surface du rotor, encore appele surface

active

( )


14

Figure I.6 : Tube de courant autour d'une olienne.

Du fait que la vitesse du vent en aval de la voilure nest pas nulle ( ), une partie de la

puissance emmagasine dans le vent nest pas convertie par larognrateur.

On en dduit donc que, la puissance capte par la voilure est inferieure celle

thoriquement stocke dans le vent . Cest ainsi quAlbert Betz a dmontr que le

rapport , appel aussi coefficient de puissance , ceci prsente le rendement dun

arognrateur ( ) et admet un maxima de soit .C'est cette

limite thorique appele limite de Betz qui fixe la puissance maximale extractible pour une

vitesse de vent donne [ ( )] .Ainsi, nous dduisons la formule de la puissance capte par un

arognrateur :

( )

( )

Avec :

Coefficient de puissance de lolienne.

Masse volumique de lair en [ ].

Surface active, celle balaye par les pales en [ ]

( ) Vitesse du vent en [ ]

N.B : La dmonstration de la limite de Betz ainsi que la puissance capte sont mises en

quations dans lannexe .


15

Le coefficient de puissance dune olienne est gnralement tudi en fonction de la

vitesse en bout des pales lambda appele aussi vitesse rduite, ou encore en anglais ;

(Tip Speed Ratio). Le d'une olienne est un facteur dcisif de sa construction et de ses

performances il est calcul comme suite :

( ) O prsentelerayon des pales en[ ], vitesse angulaire en [ ]

et ( ) celle du vent en [ ] La puissance convertie par un arognrateur sannonce par :

( ) ( )

( )

Sur la caractristique dexploitation dune olienne de la figure ( ), il existe quatre zones

principales qui sont :

o la vitesse du vent est infrieure la vitesse de dmarrage de

lolienne. Dans ce cas, la turbine ne fonctionne pas et ne produit donc pas dnergie.

dans laquelle la vitesse du vent est comprise dans le domaine [ , ],

correspond la zone o il est possible doptimiser la conversion dnergie olienne. Cest dans

cette zone quil est intressant de faire varier la vitesse de rotation, la puissance rcupre est

alors variable.

la puissance dveloppe par lolienne est limite la puissance

nominale . En effet, au-del de la vitesse nominale du vent, le surcot de

dimensionnement (puissance du gnrateur, rsistance mcanique des structures) ne serait pas

amorti par le gain de production.

lorsque la vitesse du vent dpasse la vitesse maximale admissible par

lolienne ( ) , la turbine est arrte par le systme darrt durgence afin de protger la

partie mcanique de lolienne et dviter son endommagement [ ( )] .


16

Figure I.7 : Courbe typique de la puissance extraite par une olienne

en fonction de la vitesse du vent.

I.3 Capteur olien

Le capteur olien encore appel voilure de larognrateur, assure la conversion de la

puissance arodynamique du vent (masse dair / vitesse) en une autre mcanique (couple / vitesse

angulaire). Les diffrents types de voilures qui existent de nos jours sur les sites oliens sont : les

oliennes axe horizontal (HAWT) et axe vertical (VAWT).

I.3.a) Eolienne axe horizontal

Les voilures axe horizontal sont de loin les plus utilises actuellement. Les diffrentes

constructions des arognrateurs utilisent les voilures deux, trois pales (les plus courantes) ou

les multi-pales.

Figure I.8 : Capteurs axe horizontal.


17

La voilure peut tre place avant la nacelle (up-Wind), un systme mcanique dorientation

de la surface active de lolienne face au vent sera donc ncessaire. Une autre solution

permettant dallger la construction par la suppression de toute mcanique dorientation est

lemplacement de la turbine derrire la nacelle (down-Wind), dans ce cas la turbine se place

automatiquement face au vent. Les oliennes de ce type sont assez rares car des vibrations

importantes sont dues au passage des pales derrire le mat. La figure ( ) montre les deux

procds [ ( )] .

Figure I.9 : Type de montage dune voilure axe horizontal [ ( )] .

Il existe quatre voies principales pour limiter la puissance olienne dans le cas de fortes

valeurs du vent. La premire est une technique active assez coteuse et complexe appele

systme pas variable : elle est donc plutt utilise sur les systmes vitesse variable

de moyenne fortes puissances (quelques centaines de ). Elle consiste rgler

mcaniquement la position angulaire des pales sur leur axe, ce qui permet de dcaler

dynamiquement la courbe du coefficient de puissance de la voilure.

La seconde technique est passive dite , consiste concevoir la forme des pales

pour obtenir un dcrochage dynamique du flux dair des pales fort rgime de vent. Il existe

aussi des combinaisons des deux technologies prcdemment cites.

La troisime faon de limiter la puissance est la dviation de laxe du rotor dans le plan

vertical (un basculement de la nacelle) ou une dviation dans le plan horizontal (rotation autour

de laxe du mat). Ainsi, la turbine nest plus face au vent et la surface active de lolienne

diminue [ ( )]

Vitesse du vent

Mat Voilure

Vitesse du vent

Nacelle

(1) Up-wind

(2) down-wind

Vitesse du vent


18

Figure I.10 : Limitation de puissance olienne a) pitch, b) dviation verticale de laxe de

rotation, c) rotation horizontale de laxe de rotation, d) vitesse de rotation continment variable.

La dernire famille qui permet la rgulation de la puissance olienne , consiste faire varier

la vitesse de rotation par une action lectrique. Par le biais de la gnratrice accouple une

chane de conversion statique pilote pour grer le transfert dnergie, la vitesse de rotation peut

tre pilote selon le point de fonctionnement souhait. Le plus souvent, dans les turbines

classiques axe horizontal, le dispositif de rglage frquence variable est associ un rglage

mcanique (pitch ou stall) [ ( )] .

Avantages dune olienne axe horizontal

- Une trs faible emprise au sol par rapport aux oliennes axe vertical.

- Cette structure capte le vent en hauteur, donc plus fort et plus rgulier quau

voisinage du sol.

- Le gnrateur et les appareils de commande sont dans la nacelle au sommet de la tour.

Ainsi, il nest pas ncessaire de rajouter un local pour lappareillage.

Inconvnients dune olienne axe horizontal

- Cot de construction trs lev.

- Lappareillage se trouve au sommet de la tour ce qui gne lintervention en cas

dincident [ ( )].

I.3.b) Eolienne axe vertical

Une autre famille doliennes base sur les voilures laxe vertical, ce type doliennes est

trs peu rpandu et assez mal connue. Ils ont t probablement les premiers utiliss, par la suite


19

ils ont t abandonns au profil des prcdents. Cest rcemment quils ont t de nouveau

rutiliss et reoivent un dveloppement important qui en fait des concurrents directs des capteurs

axe horizontal en prsentant un certain nombre davantages. [ ( )] .

Figure I.11 : Capteurs axe vertical.

Lavantage de ce type dolienne est quelle ne ncessite pas de systme dorientation

des pales et de possder une partie mcanique (multiplicateur et gnratrice) au niveau du sol,

facilitant ainsi les interventions de maintenance. En revanche, les vents sont faibles

proximit du sol, ce qui induit un moins bon rendement car l'olienne subit les turbulences du

vent. De plus, certaines de ces oliennes doivent tre entranes au dmarrage et le mat,

souvent trs lourd, subit de fortes contraintes mcaniques poussant ainsi les constructeurs

pratiquement abandonner ces arognrateurs (sauf pour les trs faibles puissances) au profit

doliennes axe horizontal [ ( )]

Avantages dune olienne axe vertical

- La conception verticale offre lavantage de mettre le multiplicateur, la gnratrice et les

appareils de commande directement au sol.

- Son axe vertical possde une symtrie de rvolution ce qui permet de fonctionner quelque

soit la direction du vent sans avoir orienter le rotor.

- Sa conception est simple, robuste et ncessite peu dentretien.

Inconvnients dune olienne axe vertical

- Elles sont moins performantes que celles axe horizontal.

- La conception verticale de ce type dolienne impose quelle fonctionne avec un vent

proche du sol, donc moins fort car frein par le relief.


20

- Leur implantation au sol exige lutilisation des tirants qui doivent passer au-dessus

des pales, donc occupe une surface plus importante que lolienne tour [ ( )] .

La figure suivante prsente le coefficient de puissance dune grande varit de systmes

oliens :

Figure I.12 : Classement des types dolienne selon le coefficient Cp [ ( )].

I.4 Eolienne vitesse fixe ou vitesse variable

La figure ( ) ci-dessous illustre les diffrents abaques de puissance en fonction de

quelques vitesses de vent en (m/s) et celles de la machine en (tr/sec). Une olienne fonctionnant

vitesse fixe, consiste imposer une vitesse constante par le convertisseur lectromcanique

(gnrateur), en fixant cette vitesse soit ( ), on remarque que la

puissance extraite du vent nest optimale que si la vitesse du vent est au voisinage de

(figure ( )) ; ainsi on parle dune olienne vitesse fixe. Lolienne vitesse variable consiste

faire tourner la machine une vitesse de telle sorte que la puissance extraite sera toujours

maximise ; il suffit de suivre le trac parabolique de la figure ( ). En se rfrent la figure

ci-dessous, pour une vitesse de vent gale , nous devons fixer la vitesse du gnrateur

soit , pour une vitesse de vent de le gnrateur doit tourner


21

une vitesse gale soit , et ainsi de suite. On parle alors dun

algorithme de poursuite du point maximal (maximisation de puissance), encore appel algorithme

dMPPT (Maximum Power Point Tracking).

Figure I.13 : Puissance dune olienne typique en fonction de la vitesse de la machine

et celle du vent [ ( )] .

I.5La Conversion lectromcanique dans les systmes oliens

Les gnrateurs les plus utiliss dans les systmes oliens, sont des machines courant

alternatif de type synchrone ou asynchrone.

I.5.1 Systmes utilisant la machine asynchrone

Diverses sont les structures qui reposent sur des gnrateurs asynchrones, ces derniers

dpendent de lolienne quelle soit vitesse fixe ou variable, ou bien du type de la machine elle-

mme quelle soit cage, rotor bobin , double stator, brushless etc.

Avant dentamer la faon dintroduire une machine asynchrone dans un systme olien,

rappelons sa caractristique mcanique (couple-vitesse). La figure ( ) prsente les diffrentes

zones de fonctionnement dune machine asynchrone : fonctionnement en moteur ou gnrateur

hyper ou hypo synchrone. Le point de fonctionnement dune machine asynchrone doit tre dfini

dans la zone linaire de la caractristique, il sagit bien de la zone stable. Pour assurer un

fonctionnement stable du dispositif, la gnratrice doit conserver une vitesse de rotation proche


22

du synchronisme (point ), dans le cas de la caractristique de la figure ci-dessous, la

gnratrice devra garder une vitesse comprise entre et [ ( )] .

Figure I.14 : Caractristique couple/vitesse d'une machine asynchrone 2 paires de ples.

I.5.1.a) Cas dune machine asynchrone cage (MAC)

Le dispositif le plus simple et le plus couramment utilis, consiste coupler mcaniquement

le rotor de la machine asynchrone cage et l'arbre de transmission de l'arognrateur par

l'intermdiaire dun multiplicateur de vitesse (afin de ramener la vitesse au rgime hyper-

synchrone ) et ainsi connecter directement le stator de la machine au rseau (figure ( )).

La machine a un nombre de paire de ples fixe et doit donc fonctionner sur une plage de

vitesse trs limite (glissement infrieur 2%). La frquence tant impose par le rseau, si le

glissement devient trop important les courants statoriques de la machine augmentent et peuvent

devenir destructeurs. La simplicit de la configuration de ce systme (aucune interface entre le

stator et le rseau et pas de contacts glissants) permet de limiter la maintenance de la machine.

Ce type de convertisseur lectromcanique est toutefois consommateur d'nergie ractive

ncessaire la magntisation du rotor de la machine, ce qui dtriore le facteur de puissance

global du rseau. Celui-ci peut tre toutefois amlior par l'ajout de capacits reprsentes sur la


23

figure ( ) qui deviennent la seule source de puissance ractive dans le cas d'un

fonctionnement autonome de l'olienne.

Cette gnratrice cage est constitue souvent de deux enroulements statoriques, afin

daugmenter lefficacit nergtique, en fonctionnant sur deux points de fonctionnements au lieu

dun seul. Malgr sa simplicit, le systme de fonctionnement vitesse fixe , n'exploite pas la

totalit de la puissance thoriquement disponible pour les vitesses de vent leves [ ( )] .

Figure I.15 : Systme olien vitesse fixe base dune machine asynchrone cage.

Le problme principal de cette configuration est quelle est gnralement utilise pour une

vitesse fixe (absence dun systme dlectronique de puissance entre la machine et le rseau),

dans le cas o nous voudrions remplacer ce systme par un autre vitesse variable afin

dexploiter plus dnergie, le dimensionnement du convertisseur doit tre dune puissance gale

celle de lalternateur (car la MAS cage est alimente du stator seulement). En mme temps la

distorsion harmonique gnre pour le convertisseur doit tre limine par un systme de

filtres de la mme puissance [ ( )] . Pour les oliennes grandes puissance, Parfois on utilise

un dmarreur progressif afin dassurer un dmarrage doux de la machine.

I.5.1.b) Cas dune MAS double alimente rotor bobin (MARB)

Parmi les structures utilisant cette machine, on cite : le principe de dissipation dnergie

rotorique. Ce principe est illustr ci-dessous par la figure ( ) Le stator est connect

directement au rseau et le rotor quant lui est connect un redresseur. Une charge rsistive est

alors place en sortie du redresseur par l'intermdiaire d'un hacheur ou . Le

contrle de lIGBT permet de faire varier l'nergie dissipe par le bobinage rotorique et de


24

fonctionner vitesse variable, en restant dans la partie stable de la caractristique couple/vitesse

de la machine asynchrone. Le glissement est ainsi modifi en fonction de la vitesse de rotation du

moteur [ ( )]

Figure I.16 : Systme olien base dune MAS dissipation dnergie rotorique.

Si le glissement devient important, la puissance extraite du rotor est leve et entirement

dissipe dans la rsistance R, ce qui nuit au rendement du systme. De plus cela augmente la

puissance transitant dans le convertisseur ainsi que la taille de la rsistance [ ( )] . La variation

de la rsistance rotorique permet le trac de la figure ( ) .

Figure I.17 : Effet de variation de la rsistance rotorique sur le couple lectromagntique.


25

Une seconde topologie base sur la prsente actuellement, le meilleur choix

des fabricants. Le stator est directement reli au rseau , tandis que les grandeurs rotorique

sont commandes par un convertisseur statique (figure ).

Figure I.18 : Systme olien base dune MAS (structure de Scherbius).

La matrise de ltat lectromagntique de la machine par le rotor, permet de fonctionner

la frquence et lamplitude nominales du rseau, mme si le rotor sloigne de la vitesse

de synchronisme. Le dimensionnement du convertisseur est proportionnel au glissement maximal

du rotor, autrement dit, il dpend de lcart maximal entre la vitesse de synchronisme et la vitesse

relle du rotor. Si, par exemple, on a prvu une plage de variation de vitesse de

autour du synchronisme, il faudra choisir un convertisseur dune puissance quatre fois

infrieure la puissance nominale de gnration (la plage de vitesses utiles de la

Gnrateur Vitesse Variable se situe dans une plage de 25% 50% de la vitesse nominale)

[ ( )]

I.5.1.c) Cas dune MAS double alimente sans balais (BDFM)

La machine asynchrone double alimente sans balais ou BDFM (Brushless Doubly-Fed

Machine) regroupe les avantages de la et celles de la . Elle est constitue dun rotor

cage et de deux bobinages triphass indpendants dans le stator. Le rotor possde une structure

spciale diffrente de la cage d'cureuil classique mais tout aussi robuste : il est constitu de

plusieurs boucles conductrices concentriques [ ( )] .


26

Figure I.19 : Rotor cage classique et rotor de machine asynchrone "brushless"

Un des bobinages du stator, appel Bobinage de Puissance (BP), est directement reli

au rseau, tandis que lautre, appel Bobinage de Commande (BC), est aliment par un

convertisseur bidirectionnel (figure ). Le bobinage de puissance est caractris par une

section plus grande que celle de la commande, car le premier (BP) est destin au transfert de

lnergie. La matrise de ltat lectromagntique de la machine est assure par le bobinage

de commande, ce qui permet de gnrer dans le bobinage de puissance une tension la

frquence et amplitude nominales du rseau, mme si le rotor sloigne de la vitesse

synchronique.

Figure I.20 : Systme olien base dune MAS sans ballais.

Les avantages potentiels de cette structure sont :

Dimensionnement du convertisseur une puissance plus petite que la puissance nominale de

gnration (avantage quivalent celui de la MARB).

Machine robuste avec une capacit de surcharge grande et une facilit dinstallation dans des

environnements hostiles (avantage quivalent celui de la MAC).

Cots dinstallation et de maintenance rduits par rapport la topologie MARB.


27

limination des oscillations produites par le rotor bobin [ ( )]

I.5.2 Systmes utilisant la machine synchrone

Les machines asynchrones prsentent le dfaut dimposer la prsence dun multiplicateur

de vitesse. Elles sont en effet bien adaptes des vitesses de rotation relativement importantes et

un couple insuffisant pour un couplage mcanique direct sur les voilures oliennes. Par contre, les

machines synchrones sont connues pour offrir des couples trs importants dimensions

gomtriques convenables. Elles peuvent donc tre utilises en entranement direct sur les

turbines oliennes [ ( )] . Dans une machine synchrone classique utilise en alternateur, le

champ cr par la rotation du rotor doit tourner la mme vitesse que le champ statorique. De ce

fait, il nest pas pratique de raccorder le stator dune machine synchrone directement au rseau,

car l'adaptation de cette machine un systme olien pose des problmes pour maintenir la

vitesse de rotation de l'olienne strictement fixe et pour synchroniser la machine avec le rseau

lors des phases de connexion. Pour ces raisons, on place systmatiquement une interface

d'lectronique de puissance entre le stator de la machine et le rseau (figure ) ce qui permet

d'autoriser un fonctionnement vitesse variable dans une large plage de variation.

Figure I.21 : Systme olien base dune MS rotor bobine ou aimant.

Dans la plupart des cas, le champ tournant rotorique est cr par un bobinage aliment en

courant continu (roue polaire) par l'intermdiaire d'un redresseur connect au rseau. Ce mode

d'excitation entrane la prsence de contacts glissants au rotor, c'est pourquoi on remplace

souvent ce bobinage par des aimants permanents. Toutefois certains d'entre eux sont raliss


28

l'aide de terres rares et sont par consquent trs coteux, bien que leur utilisation de plus en plus

frquente tende faire baisser leur prix [ ( )]

Les avantages principaux de cette structure :

Systme sans multiplicateur mcanique.

Gnratrice synchrone grand nombre de ples excitation bobine ou aimants.

Grande plage de variation de vitesse.

Rendement lev. Possibilit de rgler lnergie ractive.

En revanche, linconvnient principal de cette structure (machine synchrone aimant

permanent) rside dans son cout trop lev, ainsi que sa puissance limite.

Conclusion

Ce premier chapitre a prsent un rsum concernant ltat de lart dnergie olienne. Les

connaissances thoriques figurant dans ce volet, nous serviront doutil dans la seconde partie qui

tudiera la phase de modlisation, simulation et optimisation.

Chapitre II

Contexte thorique de lnergie

photovoltaque.

Introduction

II.1 Historique et potentiel mondial

II.2 Potentiel solaire en Algrie

II.3 Description et principe dune cellule photovoltaque (CP)

II.3.a) Labsorption de la lumire dans le matriau

II.3.b) Le transfert dnergie des photons aux charges lectriques

II.3.c) La collecte des charges

II.4 Caractristique courant-tension dune cellule photovoltaque

II.5 Effet de lensoleillement et de la temprature

II.6 Groupement des cellules photovoltaques

II.6.a) Groupement en parallle

II.6.b) Groupement en srie

II.6.c) Groupement srie / parallle

Conclusion

Chapitre II Contexte thorique de lnergie photovoltaque.

30

Ce deuxime chapitre offrira un rcapitulatif thorique concernant la thorie de lnergie

photovoltaque. Commenant par un bref historique en numrant le potentiel mondial, en suite

nous aborderons la description et le principe dune cellule solaire ainsi que son influence par la

temprature et lintensit densoleillement, en fin nous terminerons par la concatnation de ces

cellules afin de former des modules photovoltaques qui forment leur tour des panneaux

photovoltaques.

II.1 Historique et potentiel mondial

Le physicien franais Edmond Becquerel dcrivit le premier, l'effet photovoltaque

en et Einstein en expliqua les mcanismes en , mais cela resta une curiosit

scientifique de laboratoire jusquaux annes . Becquerel dcouvrit que certains matriaux

dlivrent une petite quantit d'lectricit quand on les expose la lumire, L'effet fut tudi

dans les solides tels que le slnium par Heinrich Hertz ds les annes . Avec

des rendements de l'ordre de , le slnium fut rapidement adopt par les photographes

comme luxmtre. De rapides progrs furent obtenus ds les annes par les

quipes de Bell Laboratories qui fabriqurent la premire cellule au silicium cristallin de

rendement de partir du procd de tirage Czochralski . Ce furent en fait les

programmes spatiaux qui donnrent cette technique ses premires applications commerciales.

En , le satellite amricain Vanguard emportait un petit panneau de

cellules solaires pour alimenter sa radio. Elles fonctionnrent si bien que les gnrateurs

solaires ont depuis fidlement accompagn la conqute spatiale et ce sont des centaines de

milliers de cellules solaires qui nous permettent aujourd'hui de communiquer par tlphone

et par tlvision d'un continent l'autre. L'industrie des semi-conducteurs contribua

largement au dveloppement des cellules solaires. Aprs tout, une cellule solaire classique n'est

rien d'autre qu'une grande diode au silicium ayant la surface de la totalit de la plaquette

sur laquelle elle est dpose. La taille des photopiles (qu'on appelle aussi cellule solaire ou

photovoltaque) accompagna d'ailleurs la progression de la dimension des circuits intgrs, de

pouces dans le dbut des annes , 3 pouces la fin des annes , 4 pouces

au dbut des annes , avant de s'manciper par la dcouverte de la croissance de

lingots multi-cristallins paralllpipdiques qui donnrent des plaquettes carres de de

ct , et qui atteignent aujourd'hui couramment de ct [ ( )] . Le taux

de radiation annuel moyen de toutes les rgions terrestre est prsent par la figure ( ). Le taux

de radiation solaire est clairement variable dans les diffrentes parties de la terre.


31

Figure II.1 : Taux de radiation annuel moyen en h [ ( )]

La production dlectricit dorigine solaire lchelle mondiale nest pas encore

significative. Elle ne reprsentait en que de la production dlectricit

renouvelable totale. Cette part correspond une production de (

de photovoltaque et de solaire thermique). Llectricit solaire est

essentiellement dveloppe dans trois rgions du monde qui sont : lEurope de lOuest

( de la production dlectricit solaire mondiale), lAsie de lEst et du Sud-est ( ) et

lAmrique du Nord ( ). Plus de 80% de la production dlectricit solaire mondiale est

concentre dans trois pays du monde : lAllemagne, le Japon et les Etats-Unis. Limplication

trs grande chelle de la Chine et de lInde au niveau de la production des modules( ), va

favoriser un dveloppement encore plus rapide de la filire photovoltaque( )[ ( )] .

Figure II.2 : Taux dexploitation dnergie photovoltaque entre les nergies

renouvelables[ ( )] .

89%

0.06% 0.04% 0.02% 0.00%

0.00% Hydraulique

Biomasse

Eolien

Gothermie

Solaire

Energies marines


32

II.2 Potentiel solaire en Algrie

LAlgrie dispose dun potentiel solaire important, mais trs peu dvelopp. Selon le

ministre de lnergie et des mines, le pays possde le potentiel solaire le plus important de tout

le bassin mditerranen. La preuve en a t apporte par lAgence spatiale allemande (ASA), qui

a procd une valuation par satellites. Les rsultats semblent sans quivoque. Le potentiel est

ainsi estim ( ) pour le solaire thermique et de

TWH/an pour le solaire photovoltaque [ ( )] .

Figure II.3 : Irradiation globale journalire reue sur plan

horizontal au mois de Juillet [ ( )] .

Dautant plus que son exposition, aux portes du Sahara, un soleil rgulier et puissant lui

confre, lheure o les technologies de production photovoltaque progressent grand pas,

dindniables avantages nergtiques. Cest dans ce contexte que vient dtre officialis le

lancement dune centrale hybride, qui sera en production ds , utilisant le gisement de

gaz de Hassi Rmel (le plus gros gisement dAlgrie), et aussi lnergie solaire qui permettra tout

Longitude

La

titu

de


33

de mme dconomiser du prcieux gaz tous les ans. Ce type de projet est le

premier au monde associer gaz et nergie solaire.

A lhorizon , lAlgrie ambitionne de porter la part des nergies

renouvelables dans le bilan de la production lectrique. Parmi les principaux projets figure cette

centrale hybride solaire/gaz de , dont en solaire. Le projet va tre ralis

avec la compagnie espagnole Abener Energia , spcialiste de la cognration.

Figure II.4 : Irradiation globale journalire sur plan horizontal au mois de Dcembre [ ( )]

II.3Description et principe dune cellule photovoltaque (CPV)

La conversion photovoltaque aujourdhui largement utilise, peut-tre simplement dfinie

comme la transformation de lnergie des photons en nergie, grce au processus dabsorption de

la lumire par la matire [ ( )]

La figure ( ) dcrit la constitution dune cellule photovoltaque ( ). Daprs cette

figure, nous constatons que la couche est trs mince par rapport la couche , ce

Longitude

La

titu

de


34

dsquilibre a pour but de laisser les rayons lumineux du soleil atteindre la jonction , afin

de gnrer le maximum de nombre de pairs lectrons trous.

Figure II.5 : Constitution dune cellule photovoltaque [ ( )]

La conversion photovoltaque met simultanment en jeu trois phnomnes physiques :

labsorption de la lumire par le matriau, le transfert dnergie des photons aux charges

lectriques et la collecte des charges.

II.3.a) Labsorption de la lumire dans le matriau

Le rayonnement solaire est constitu de photons, dont la longueur donde stend de

lultraviolet ( ) linfrarouge lointain ( ) On utilise la notion pour Air

Mass afin de caractriser le spectre solaire en termes dnergie mise. Lnergie totale

transporte par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lordre de

AM0 (La masse zro l'air (AM0) The air mass zro, ou spectre

extraterrestre utilis pour gnrer les spectres de rfrence terrestre actuel a t dvelopp par

Gueymard, qui a synthtiser plusieurs ensembles de dans lespace hors atmosphre

terrestre (extraterrestre) (figure ) [ ] Lorsque le rayonnement solaire traverse

latmosphre, il subit une attnuation et une modification de son spectre, la suite de

phnomnes dabsorption et de diffusion dans les gaz, leau et les poussires. Ainsi, la couche

dozone absorbe une partie du spectre lumineux provenant du soleil, en particulier une partie des

ultraviolets dangereux pour la sant. Le rayonnement solaire direct reu au niveau du sol ( 90

dinclinaison) atteint du fait de labsorption dans latmosphre . Cette

valeur change en fonction de linclinaison des rayons lumineux par rapport au sol. Plus langle de


35

pntration est faible, plus lpaisseur atmosphrique que les rayons auront traverser sera

grande, do une perte dnergie consquente. Par exemple, lnergie directe transporte par le

rayonnement solaire atteignant le sol avec un angle de avoisine les

[ ( )]

Figure II.6 : Normes de mesures du spectre dnergie lumineuse mis par

le soleil, notion de la convention AM [ ( )]

Plus le soleil est bas sur l'horizon, plus il va traverser une paisseur importante

d'atmosphre et plus il va subir de transformations. On appelle masse d'air ou Air Mass en

anglais, Le rapport entre I 'paisseur de l'atmosphre traverse par le rayonnement direct pour

atteindre le sol et l'paisseur traverse la verticale du lieu (figure II. 7) [ ( )]

Figure II.7 : Dfinition de la masse dair Air mass .

Cela dpend surtout de la hauteur angulaire du soleil dfinie prcdemment (figure ).

A l'aide des points , , et langle reprsent la figure ( ), la longueur

du trajet du soleil travers l'atmosphre est :


36

( ) ( )

Donc lAir Mass

( ) , dans lexpression ; x dsigne ce rapport

, ainsi nous citons les exemples suivants :

Soleil au znith (au niveau de la mer) : AM1.

Soleil

Soleil , par convention, dsigne le rayonnement solaire hors

atmosphre [ ( )]

Aprs que le scientifique franais, Edmond Becquerel, fut dcouvrit leffet photolectrique,

il a trouv que certains matriaux pouvaient produire une petite quantit de courant sous leffet de

la lumire. Par la suite, Albert Einstein dcouvert, en travaillant sur leffet photolectrique, que

la lumire navait pas quun caractre ondulatoire, mais que son nergie tait porte par des

particules, les photons. Lnergie dun photon est donne par la relation :

est la constante de Planck, la vitesse de la lumire et sa longueur donde. Ainsi, plus la

longueur donde est courte, plus lnergie du photon est grande. Cette dcouverte value Albert

Einstein le prix Nobel en [ ( )] partir des donnes prcdentes, le groupe de

physique du solide du CNRS a tabli des modles de radiation spectrale pour n'importe

quelles conditions de traverse d'atmosphre. Le tableau ( ) indique les valeurs de la

constante solaire en fonction du nombre d'air masse [ ( )] .

Figure II.8 : Spectres Solaires relevs dans plusieurs conditions

selon la convention AM.[ ( )]

Longueur donde en

Rad

iati

on

sp

ectr

ale

(

)


37

L'intensit du rayonnement extrieur de l'atmosphre de la Terre en fonction de la constante

solaire est appel le rayonnement extraterrestre. Le maximum de la distribution spectrale est situ

dans le quartier de la lumire visible avec une longueur d'onde de

jusqu' et chute fortement sur un ct l'ultraviolet ( ) et de

l'autre ct un rayonnement infrarouge ( ) comme illustr la

figure ( )[ ( )] Contrairement la figure ( ) prcdente, la figure ( ) illustre les

diffrents milieux ( ) qui diminue la puissance des photons.

Figure II.9 : Distribution spectrale dune radiation solaire [ ( )]

II.3.b) Le transfert dnergie des photons aux charges lectriques

Les lectrons sur les orbites plus loignes du noyau ont une nergie plus grande et

sont moins fortement lis l'atome que ceux situs plus prs du noyau. Les lectrons

avec les niveaux d'nergie les plus levs existent dans la couche la plus loigne

d'un atome et sont relativement moins lis cet atome. La couche la plus loigne est

connue sous le nom de couche de valence Bande de valence et les lectrons dans cette

couche sont appels lectrons de valence . Ces lectrons de valence contribuent aux

ractions chimiques et aux liaisons l'intrieur de la structure d'un matriau, dterminant

ainsi ses proprits lectriques. Lorsqu'un atome absorbe de 1'nergie d'une source de

Radiation extraterrestre Ciel clair Ciel nuageux

Longueur donde en

Rad

iati

on

sp

ectr

ale

(

)


38

chaleur ou de lumire, les niveaux nergtiques des lectrons sont augments. Lorsqu'un

lectron acquiert de 1'nergie, il se dplace vers une orbite plus loigne du noyau. Puisque

les lectrons de valence possdent plus d'nergie et qu'ils sont moins troitement lis

l'atome que les lectrons situs proximit du noyau, ils peuvent bondir vers des

orbites suprieures plus facilement lorsqu'une nergie externe est absorbe. Si un

lectron de valence reoit une quantit suffisante d'nergie Energie de gap gale

lnergie de la bande interdite , il peut en fait s'chapper de la couche extrieure et

de l'emprise de l'atome vers une couche suprieur appele Bande de conduction

[ ( )]

La figure ( ) montre les diffrents niveaux nergtiques dun matriau

conducteur, semi-conducteur ou isolant. La bande de conduction dun mtal chevauche

avec la bande de conduction, les lectrons libres (lectrons de conduction) sont

nombreux (nergie de gap presque nulle). Dans le cas dun semi-conducteur (silicium

par exemple ), nous remarquons que la bande interdite est plus large.

De ce fait, si nous voulons extraire un lectron de la bande de valence, nous devons lui

procurer une quantit dnergie suprieure ou gale lnergie de gap .

Lnergie de gap dans le cas dun isolant est trs grande, ce qui signifie linfime

quantit dlectrons libres dans un isolant.

Figure II.10 : Niveaux nergtiques dun conducteur isolant et semi-conducteur.

Dans un semi-conducteur, la largeur de la bande interdite est plus faible que pour les

isolants et varie d'environ . Les photons d'nergie , soit

une longueur d'onde , pourront fournir leur nergie aux lectrons de la bande

Bande de

conduction

Bande de

valence

Electron de

conduction

Electron de

valence

Electron de

conduction

Electron de

valence

Electron de

valence

Bande de

conduction

Bande de

valence

Bande interdite

Bande de

conduction

Bande de valence

Bande interdite

Eg = 1,12 eV Eg = 5,2 eV Chevauchement

Conducteur-Mtal

SC-silicium Isolant-diamant


39

de valence. Cet lectron ainsi libr de la liaison chimique pourra se promener librement

dans le cristal comme un lectron de conduction . Si l'nergie est suprieure

l'nergie du gap , l'excs d'nergie est perdu par thermalisation[ ( )] .

II.3.c) La collecte des charges

Le principe dune cellule photovoltaque est trs similaire celui dune jonction

dune diode classique. Quand la jonction PN est illumine (nergie du photon

suffisante ), des paires lectrons-trous sont gnrs, ces derniers seront spars par la

prsence du champ lectrique caus par la barrire de potentielle, ces paires (lectrons-

trous) seront chasss vers les deux contacts mtallique de la cellule, do lapparition dun

courant photovoltaque . Ce courant photovoltaque circule dans le sens inverse du

courant direct de la diode , car le dplacement des lectrons dans une polarisation directe

dune diode, stablit inversement au dplacement d leffet photovoltaque. Dans le cas dune

absence dune tension externe applique, ce photo-courant circulera continment et il sera mesur

en tant quun courant de court-circuit .

Ce courant photovoltaque varie linairement avec lintensit de lensoleillement, parce que

labsorption de plus de photons engendrera plus dlectrons flottants dans le sens oppos de la

force lectrique du champ interne.

Figure II.11 : Schma de principe de la conversion photolectrique [ ( )]

En fait, les paires dlectrons-trous gnrs par les photons incidents sur la jonction, ne

gnrent pas tous le courant photovoltaque, une partie de ces lectrons libres ne sera pas

collecte dans les grilles mtalliques, mais ils (les lectrons libres) vont se recombiner avec leurs

trous formant un courant inverse au courant photovoltaque (courant directe de la diode), ce qui

en rsulte que le courant la sortie de la cellule photovoltaque sera dtermin par la soustraction

du courant photovoltaque de celui de la diode ( ) [ ( )]


40

II.4 Caractristique courant-tension dune cellule photovoltaque

La courbe prsente la figure ( ) reprsente la caractristique courant-tension

normalise note ( ) dune cellule solaire en silicium. La courant dlivr par la cellule,

prsente une valeur maximale de courant ( ) en court-circuitant la cellule photovoltaque

( ). La tension aux bornes de la cellule est exprime en volt, sa valeur maximale est

proche de celle de la barrire de potentiel, cette tension est rcolte seulement en circuit ouvert.

Figure II.12 : Caractristique courant-tension dune cellule solaire [ ( )]

Il est noter que dans les notices des constructeurs ou alors (pour la

terminologie anglaise signifiant Short-Circuit Current) et la tension de circuit ouvert, slvent

respectivement et ( , pour Open Circuit Voltage).

La grandeur lectrique qui caractrise une centrale de production est sa puissance. En se

rfrant la figure( ), nous remarquons que le courant est inversement proportionnel

la tension, la croissance de la tension engendre une diminution du courant et vice versa, ce qui

en rsulte que ce systme est caractris par un produit maximal ventuel , il sagit

dun point o la puissance de la cellule est maximale (Mpp pour Maximum Power Point).


41

Fi

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Modélisation d’une centrale à énergie renouvelable ... Sa… · ... commande et simulation de la centrale éolienne. ... (MSAP) 58 III.1.3 Structure et modélisation ... Système