Optimisation et dimensionnement d’un système solaire de

République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère d’enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Larbi Ben M’Hidi - Oum El Bouaghi –

Faculté des Sciences et des Sciences Appliquées

Département de Génie Electrique

Filière Électrotechnique

Mémoire de fin d’études

en vue de l’obtention du Diplôme de Master

Option : Génie Électrique

Thème :

Soutenue publiquement à Ain el Beida le : .. Juin 2016

proposé et dirigé par : Présenté par :

Rahem Djamel Soula youcef

Promotion : 2015/2016

Optimisation et dimensionnement d’un

système solaire de pompage d’eau

ii

A ceux qui m’ont donné la vie, symbole de beauté, de fierté, de

sagesse et de patience.

A ceux qui sont la source de mon inspiration et de mon courage, à

qui je dois de l’amour et la reconnaissance.

Mes chers Parents.

Mes Frères.

Mes Sœur.

Ma Famille et tous mes Proches.

Et à tous qui me connait et compte sur moi…

Tous mes Amis(es)

YoucefYoucefYoucefYoucef

REMERCIEMENTS

Je remercie, en premier lieu, ALLAH qui m’a donné ce

bien là pour que je vive ce jour, ALLAH qui m’a donné la force

et la patience pour terminer ce travail .

Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance et ma

gratitude à mon encadreur, le PrPrPrPr RAHEM DJAMEL RAHEM DJAMEL RAHEM DJAMEL RAHEM DJAMEL qui a

proposé et dirigé ce travail .

Mes remerciements vont aussi à messieurs les membres

du jury pour avoir accepté d’évaluer mon travail .

Je tiens à remercier les responsables et tout le personnel

du département de L’électrotechnique pour les facilités qu’ils

m’ont accordé pour parfaire ce travail .

Ce travail de mémoire que j’ai effectué doit beaucoup à

certaines personnes que je tiens à remercier sincèrement .

Enfin, je remercie tous ceux qui ont contribué, de près ou

de loin, à ma formation et à l’élaboration de ce modeste

mémoire.

Sommaire

Sommaire.

Introduction générale...............................................................................................…...1

Chapitre I: Etat de l'art des systèmes de pompage photovoltaïque

I.1. Introduction :…………………………………………………………………...….3

I.2. Le rayonnement solaire :…………………………………….…………………….3

I.3.Historique de l’énergie photovoltaïque……………………………………….........6

I.4. Principe de la conversion photovoltaïque :………………………………………..7

I.5. Différents types des cellules solaires :………………………………………….....8

I.5.1. Les cellules en silicium monocristallines :…………………………...………....9

I.5.2. Les cellules en silicium polycristallines...........................................................….9

I.5.3. Les cellules amorphes......................................................................................….9

I .6. Association des cellules photovoltaïques………………………………………....9

I.6.1. Association en série……………………………………………………………..9

I.6.2. Association en parallèle……………………………………………………......10

I.6.3. Association hybride (en série et en parallèle)…………………………….........11

I.7. Différents types des systèmes photovoltaïques :.............................................…...12

I.7.1. Système autonome sans batterie…………………………………………….....12

I.7.2. Système autonome avec batterie :………………………………………...........12

I.7.3. Système autonome hybrides…………………………………………………...12

I.7.4. Systèmes raccordés au réseau : ………………………………………………...12

I.8.5. Systèmes fonctionnant au fil du soleil (pompage PV) :………….…………….12

I .9. Avantages et inconvénients de l’énergie solaire..............................................….12

I.9.1. Avantage :……………………………………………………………………...12

I.9.2. Inconvénients :………………………………………………………………....13

I.10. Constitution d’un système de pompage photovoltaïque :………………………13

I.10.1. Générateur photovoltaïque :…………………………………………………..14

I.10.2. Moteur d’entraînement :……………………………………………………....14

Sommaire

I .10.3. Pompe de refoulement :……………………………………………………..14

I.10.4. Circuit hydraulique :…………………………………………………………15

I.11. Pompe photovoltaïque : ………………………………………………………..15

I.12. Différentes types des pompes :…………………………………………………15

I.12.1. Pompe volumétriques :……………………………………………………….16

I.12.2. Pompe centrifuge :……………………………………………………………16

I.13. Principe de fonctionnement d’une pompe centrifuge : …………………………17

I .14. Les avantages et les inconvénients des Pompes centrifuges : ………………....17

I.14.1. Avantage :…………………………………………………………………….17

I.14.2. Inconvénients :………………………………………………………………..17

I.15.Conclusion :……………………………………………………………………..18

Chapitre II : modalisation d’un système de pompage photovoltaïque.

II.1. Introduction:……………………………………………………………………19

II .2. Modélisation du générateur photovoltaïque :…………………………………19

II.2.1. Model idéal d’une cellule photovoltaïque :…………………………………..19

II.2.2.Modèle réel d’une cellule photovoltaïque :…………………………………...20

II.2.3.caractéristique (courent – tension):…………………………………………...21

II.2.4. Influence les paramètres climatiques sur la courbe I(V) :…………………….21

a-Influence de température :……………………………………………………….…21

b-Influence de la l’éclairement :..............................................................................….22

II.2.5.constitution d’un générateur PV :……………………………………………...23

II.2.6.Principe de recherche du point de puissance maximale (MPPT) :…………….24

II.2.7.L’algorithme « Perturbation et Observation » ou P&O :………………………25

II.2.8.Dimension d’un générateur PV :………………………………………………27

II.3.Variation de l’éclairement en fonction du temps :……………………………….28

II.4. L’onduleur :………………………………………………………….………….28

Sommaire

II.5.Modélisation du système moto-pompe : ………………………………………..29

II.5.1.Modélisation la machine synchrone a aiment permanent :……………………30

II.5.2.Modèle moto-pompe :…………………………………………………………31

II.5.3 Combinaison du moteur et pompe :……………………………………………34

II.6.Conclusion :……………………………………………………………………...35

Chapitre III : simulation et étude expérimentale sur site

III.1. Introduction:……………………………………………………………………36

III.2. Présentation du Système :……………………………………………………...36

III.3. Résultats de simulation et interprétation :……………………………………...37

III.4. Etude expérimentale :…………………………………………………………..41

III.4.1. Description du système de pompage expérimentale:………………..……….41

III.4.2. composition du système:……………………………………………………..39

III.4.3.banc d’essai de pompage :………………………………………………….....39

III.4.4. moto-pompe : ………………………………………………………………...42

III.4.5. l’onduleur :…………………………………………………………………...43

III.4.6. unité de contrôle et traitement des données : ………………………………...43

III.4.7. Banc d’essai caractérisation du générateur PV :…………………………….44

III.4.8. Résultats expérimentales :……………………………………………………44

III.5. Conclusion :…………………………………………………………………….49

Conclusion générale :………………………………………………………………...50

Introduction générale

1


A la différence des énergies fossiles, les énergies renouvelables sont des énergies à ressource

illimitée issues du soleil, du vent, de la chaleur de la terre. L’énergie photovoltaïque connue

depuis de nombreuses années comme source pouvant produire de l’énergie électrique allant

de quelques milliwatts au mégawatt, a connu un développement énorme et joue un rôle très

important dans le domaine des alimentations électriques. Les générateurs photovoltaïques sont

constitués de plusieurs modules configurés suivant le besoin, et ils sont par nature des sources

non linéaires. Afin de s'adapter mieux à la variation de l'ensoleillement et la température, la

plupart des systèmes de contrôle utilisent des algorithmes de suivi du point de fonctionnement

optimal (MPPT: Maximum Power Point Tracking) des panneaux photovoltaïques. L'appel à

ces dispositifs rend le système plus complexe.

La connexion entre un générateur photovoltaïque (GPV) et une charge de type alternatif reste

encore un sujet d’étude. L’adaptation d’impédance entre un GPV et une charge est un

problème technologique que signifie essentiellement le transfert du maximum de puissance du

générateur PV à la charge.

Aujourd'hui, l'utilisation de l'énergie photovoltaïque pour le pompage de l'eau est une

technologie naissante caractérisée par des coûts graduellement en baisse. Les systèmes

photovoltaïques de pompage de l’eau sont bien adaptés aux besoins des communautés

éloignées disposant d’un bon ensoleillement.

Depuis la première installation à la fin des années '70, l’utilisation des systèmes de pompage

solaires pour fournir des approvisionnements domestiques, bétail et irrigation en eau dans des

régions éloignées, ont gagné énormément d'acceptation, fiabilité et performance et de nos

jours ils appartiennent à la plupart des applications significatives d'énergie photovoltaïque.

Ceci est attribué principalement au fait qu'il n'est pas fiable économiquement de connecter de

tels sites éloignés au réseau électrique national. On estime maintenant que plus de 12000

unités de pompage photovoltaïque composées de différentes configurations ont été utilisé

dans le monde.

L’objectif de cette étude est le dimensionnement et l’optimisation d’un système solaire de

pompage d’eau afin d’améliorer ces performances.

Pour atteindre ce but, on a devisé notre mémoire en trois chapitres :


2

• Dans le premier chapitre, on présente un état d’art sur les systèmes solaires de pompage

d’eau : leurs principe de fonctionnement, leurs constitution, leurs avantages,…ect.

• Dans le second chapitre, on présente en premier lieu la modélisation du module

photovoltaïque en tenant compte de l’influence des déférents paramètres climatiques sur ces

caractéristiques: éclairement et température. Par la suite, on présente une modélisation

mathématique des différents composants du système de pompage solaire d’eau.

• À partir des modèles décrits dans le chapitre précédent, on illustre dans le dernier chapitre,

les différents résultats de simulation qui montrent les performances d’un système solaire de

pompage d’eau. Des tests expérimentaux sont effectués au sein de la centrale de recherche

appliquée en énergies renouvelables à Ghardaïa.

Chapitre I Etat de l’art des systèmes de pompage photovoltaïque

3

I.1. Introduction

Actuellement, la consommation d’électricité s‘accroît avec les évolutions

technologiques, l‘industrialisation et le besoin de confort moderne. L‘accroissement de sa

production est donc synonyme d‘augmentation de la qualité de vie et de création de richesse.

La principale source d‘énergie utilisée pour produire de l‘électricité, est celle issue des

combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) et fissiles (uranium). Or il s‘avère que ces

ressources sont présentes en quantités limitées et non renouvelables, et que leurs combustions

engendrent des gaz à effet de serre « polluante ». Les sources d'énergies renouvelables

présentent l'avantage d'être disponibles en quantité illimitée, non polluante et offre une plus

grande sûreté d’approvisionnement des consommateurs tout en respectant l’environnement.

On distingue plusieurs types de sources d’énergies renouvelables: l’énergie hydroélectrique,

l’énergie géothermique, l’énergie éolienne, l’énergie de la biomasse et l’énergie

photovoltaïque. L’électricité solaire est une importante source d’énergie renouvelable qui

pourrait être une alternative aux autres sources classiques afin de satisfaire les larges besoins

d’énergie dans le futur. L’énergie photovoltaïque est la plus jeune des énergies renouvelables,

elle a l’avantage d’être non polluante, souple, fiable et utilisée pour petite et moyenne

consommation d’électricité dans des régions isolées et loin des lignes de distribution

électrique. Dans ce chapitre, nous présenterons tout d’abord un état de l’art sur les énergies

solaire. Ensuite, nous étudierons le principe de base de l’effet photovoltaïque les principaux

éléments constituant un module PV. Enfin nous présentant les différents éléments constituant

un système de pompage PV.

I.2. Le rayonnement solaire :

Le rayonnement émis par le soleil comporte des ondes électromagnétiques dont

une partie, appelée le 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, moyennée 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 absorbe, pour un tiers par l'atmosphère et pour les deux tiers par la

surface terrestre.


4

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 -gaz et aérosols- qui 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 : restent donc approximativement 180 W.m- 2 qui parviennent

à la surface terrestre au terme d'une transmission dont a 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 élève (l’albédo est la fraction d’un

rayonnement incident diffusée ou réfléchie par un obstacle), devrait renvoyer dans

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 a 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

définitivement renvoyés vers l'espace interplanétaire âpres diffusion vers le haut à travers

l'atmosphère et 30 W.m-2 retournant a la surface terrestre âpres 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 — pratiquement la moitié du rayonnement solaire —

qu'absorbe 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]

De là on introduit le nombre d’air masse m qui permet de tenir compte de l’épaisseur de

l’atmosphère traverse par les rayons solaires suivant l’inclinaison du soleil.


5

( )7 .81............ .1

1013 sin

zp

m e IA

− = ⋅ ⋅

Avec : p (N.m2) pression

A (°) élévation du soleil sur l’horizon (90° au zénith)

Z (km) altitude

Ainsi, au niveau de la mer (z=7800m),

( )1.............................................. .2

sinm I

A≈

Et on dit qu’on a les conditions AM1 lorsque le soleil est au zénith, AM2 lorsqu’on a

une inclinaison de 30°.

Hors atmosphère a haute altitude, on est dans les conditions AM0.

Figure.1.I Spectre solaire.

Il est important de comprendre les deux aspects recouverts par le concept de nombre

d’air masse. D’une part, il caractérise la puissance transportée par le rayonnement solaire

(1353 W.m–2 pour AM0, 833 W.m–2 pour AM1.5) et d’autre part, il sert a définir un spectre

de référence pour calibrer les cellules étalons destinées a qualifier les performances des

dispositifs photovoltaïques. Ainsi les conditions standards de qualification des cellules sont un

spectre AM1,5, une puissance incidente de 1 000 W m–2 et une température de 25oC.


6

Sauf indication contraire, c’est pour de telles conditions que doivent être fournies les

performances et spécifications d’un dispositif photovoltaïque donne.

I .3. Historique de l’énergie photovoltaïque :

Les systèmes photovoltaïques sont utilisés depuis 40 ans. Les applications ont

commencé avec le programme spatial pour la transmission radio des satellites. Elles se sont

poursuivies avec les balises en mer et l'équipement de sites isolés dans tous les pays du

monde, en utilisant les batteries pour stocker l'énergie électrique pendant les heures sans

soleil.

Dates importantes dans l’histoire du photovoltaïque

Il y a 5000 ans déjà : les civilisations anciennes, les anciens Egyptiens particulièrement,

faisaient du soleil un véritable dieu. Le culte du soleil était d’une grande importance en

Egypte et a laissé un grand nombre de traces dans les monuments. Depuis cette époque, de

nombreux scientifiques ont passé leur vie à inventer des façons nouvelles de nous faire

profiter de l’énergie solaire.

Environ 250 ans avant notre ère : Archimède a mis au point des miroirs qui ont permis de

concentrer l’énergie solaire et de mettre le feu à la flotte romaine qui assiégeait Syracuse.

Environ 100 ans avant notre ère : Héron d’Alexandrie a construit une machine solaire qui

permettait le pompage de l’eau.

En 1757 : on a fait fondre du fer et de l’argent au foyer d’un miroir d’un mètre de diamètre.

Au 18ème siècle : Saussure un physicien suisse a inventé des capteurs solaires pour des fins

scientifiques et Lavoisier, un physicien et chimiste français a fabriqué un four solaire qui

chauffait à 1.755°C pour faire fondre du platine.

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

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

photovoltaïque.

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

l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu’à la Seconde Guerre Mondiale,

le phénomène reste encore une curiosité de laboratoire.

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

photovoltaïque à haut rendement au moment où l’industrie spatiale naissante cherche des

solutions nouvelles pour alimenter ses satellites.

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

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


7

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

l’Université de Delaware.

1983: la première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de

4000 km en Australie. La première cellule photovoltaïque (ou photopile) a été développée aux

Etats-Unis.

1954 : par les chercheurs des laboratoires Bell, qui ont découvert que la photosensibilité du

silicium pouvait être augmentée en ajoutant des "impuretés". C'est une technique appelée le

"dopage" qui est utilisée pour tous les semi-conducteurs.

Mais en dépit de l'intérêt des scientifiques au cours des années, ce n'est que lors de la course

vers l'espace que les cellules ont quitté les laboratoires. En effet, les photopiles représentent la

solution idéale pour satisfaire les besoins en électricité à bord des satellites, ainsi que dans

tout site isolé. [2]

I.4. Principe de la conversion photovoltaïque :

Le fonctionnement de la photopile est basé sur les propriétés électroniques acquises

par le silicium quand des atomes étrangers (des impuretés) en petit nombre sont substitués

dans un réseau cristallin (dopage). Si l'atome d'impureté contient plus d'électrons que le

silicium, le matériau contiendra des électrons libres en excès : il sera dit de type N (exemple:

silicium dopé au phosphore), au contraire si l'atome d'impureté contient moins d'électrons que

le silicium, le matériau sera déficitaire en électrons: il sera dit de type P (exemple: silicium

dopé au bore).

La fabrication des cellules s'effectue à partir de lingots de silicium. Ces lingots sont

découpés en fines couches de type P ou N en y diffusant du brome ou du phosphore.

Une cellule solaire est alors obtenue en constituant une jonction de deux zones de type

opposé (jonction PN). Au voisinage de la jonction apparaît un champ électrique qui maintient

la séparation des charges positives et négatives. Des contacts métalliques en formes de grille,

contacts avant et arrière, sont déposés afin de collecter les électrons en mouvement. (Figure.

(1.2) [3]

Chapitre I

Figure. I.2

Une cellule photovoltaïque donc est un dispositif qui permet de transformer l'énergie

en énergie électrique. Cette transformation est basée sur les trois mécanismes suivants :

Absorption des photons (do

dispositif ; Conversion de l'énergie du photon en énergie électri

création des pairs électrons/trous dans le matériau semi

générées dans le dispositif

Le matériau constituant la cellule photovoltaïque doit donc posséder deux niveaux

d'énergie et être assez conducteur pour permettre l'écoulement du courant: d'où l'intérêt des

semi-conducteurs pour l'industrie photovoltaïque

I .5. Différents types des cellules solaires

Il existe trois types principaux de cellules solaires

Fig

Etat de l’art des systèmes de pompage photovoltaïque

.2 Représentation schématique d'une cellule solaire

Une cellule photovoltaïque donc est un dispositif qui permet de transformer l'énergie


Absorption des photons (dont l'énergie est supérieure au gap) par le matériau constituant le

dispositif ; Conversion de l'énergie du photon en énergie électrique, ce qui correspond à la

création des pairs électrons/trous dans le matériau semi-conducteur ; Collecte des particule


conducteur pour permettre l'écoulement du courant: d'où l'intérêt des

conducteurs pour l'industrie photovoltaïque [3].

Différents types des cellules solaires :

Il existe trois types principaux de cellules solaires :

Figure. I.3 Différents types des cellules solaires

Etat de l’art des systèmes de pompage photovoltaïque

8

schématique d'une cellule solaire.

Une cellule photovoltaïque donc est un dispositif qui permet de transformer l'énergie solaire


ap) par le matériau constituant le

que, ce qui correspond à la

conducteur ; Collecte des particules


conducteur pour permettre l'écoulement du courant: d'où l'intérêt des

types des cellules solaires.


9

I.5.1. Les cellules en silicium monocristallines

Elles sont les photopiles de la première génération, possédant un taux de rendement de

12 à17%, mais la méthode de leurs productions est laborieuse et difficile, puisque il faut une

grande quantité d'énergie pour obtenir du cristal pur.

I.5.2. Les cellules en silicium polycristallines

Elles sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en forme de cristaux

multiples .Vues de près, on peut voir les différentes orientations des cristaux. Elles ont un

rendement de11 à 13%, mais leur coût de production est moins élevé que celui des cellules

monocristallines.

I.5.3. Les cellules amorphes

Elles ont un coût de production moins chère, mais malheureusement leur rendement est

faible (8 à 10%). La cellule est gris très foncé .Cette technologie permet d'utiliser des couches

très minces de silicium, ou on peut appliquer de très fines couches de silicium amorphe sur

des vitres, du plastique souple ou du métal. C'est le silicium amorphe qu'on trouve le plus

souvent dans les petits produits de consommation comme les calculatrices et les montres,

mais aussi plus récemment sur les grandes surfaces utilisées pour la couverture des toits.

I .6. Association des cellules photovoltaïques

I.6.1. Association en série

Ce type de branchement permet d'obtenir des tensions plus élevées (les tensions des

panneaux s'ajoutent) ; l'intensité qui traverse chaque panneau est la même ; elle est égale à

l'intensité du panneau le "plus faible".

Dans ce type de branchement, la borne positive d'un panneau est reliée à la borne négative du

panneau suivant.


10

Figure. I.4 Caractéristique résultante d’un groupement en série de ns cellules identiques.

On remarque que le courant débité par les cellules est le même dans la branche, tandis

que la tension est multipliée par le nombre de cellules Ns mises en jeu. Ceci est expliqué par

la figure ci-dessous, qui représente la courbe courant – tension, en multipliant, point par point

pour un même courant la tension par Ns.

I.6.2. Association en parallèle

L’association en parallèle des photopiles délivre un courant égal à la somme des

courants individuels et une tension égale à celui d’une seule cellule. La caractéristique d’un

groupement de Np modules solaires en parallèle est représentée par la figure suivante :

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4caracteristique I(v) une module

Tension (V)

Puissance(w)

Ns=3 Ns=4 Ns=2 Ns=1


11

Figure. I.5 Caractéristique résultante d’un groupement en parallèle de np cellules identiques

I.6.3. Association hybride (en série et en parallèle)

Pour avoir une satisfaction en courant et en tension, on est obligé d’utiliser un groupement

mixte, c’est à dire Série-Parallèle.

Figure. I.6 Caractéristique résultante d’un groupement hybride des cellules (np+ ns).

0 5 10 15 20 250

2

4

6

8

10

12

14


Tension (V)

Puissance(w)

Np=4

Np=3

Np=2

Np=1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

2

4

6

8

10

12

14


Tension (V)

Puissance(w)

Ns=1 Np=1

Ns=4 Np=4

Ns=1 Np=4

Ns=4 Np=1


12

I.7. Différents types des systèmes photovoltaïques

Une centrale solaire photovoltaïque est constituée d'un ensemble de modules solaires

photovoltaïques. Il existe plusieurs sortes de mise en œuvre d'une centrale solaire

photovoltaïque.

I.7.1. Système autonome sans batterie

Les systèmes photovoltaïques autonomes sans batterie sont la charger de type continu

est alimente directement par GPV car la production d’énergie est suffisante pour

fonctionnement de la charge.

I.7.2. Système autonome avec batterie

La batterie sert à stoker de l’énergie produite par le générateur photovoltaïque. Les

appareils alimentés sont donc câbles sur la batterie au travers du régulateur de charge.

I.7.3. Système autonome hybrides

Une des limites d’un système autonome purement photovoltaïque, comme on vient de le

décrire, est qu’il fournit une puissance donnée, variable selon la saison, mais que l’on ne peut

pas dépasser, au risque de détruire la batterie par décharge profonde. Or, les consommateurs

que nous sommes ne sont pas des machines et ont des besoins qui évoluent, et pas forcement

en phase avec les saisons.

I.7.4. Systèmes raccordés au réseau

Les installations photovoltaïques sont raccordées au réseau électrique grâce à un

onduleur, qui permet la conversion du courant continu d'origine photovoltaïque en courant

alternatif. L’électricité produite est directement utilisée par la charge ou injectée dans le

réseau Électrique. Ces systèmes sont utilisés dans les immeubles, les domiciles ou les chalets

déjà Reliés au réseau électrique.

I.7.5. Systèmes fonctionnant au fil du soleil (pompage photovoltaïque)

Il s’agit de stocker de l’eau dans un réservoir. La pompe solaire est branchée

directement sur les panneaux solaires par l’intermédiaire d’un régulateur ou d’un

convertisseur. Le débit d’arrivée de l’eau dans le réservoir est donc variable, directement

fonction du rayonnement solaire, d’où l’expression « au fil du soleil »Quant à l’utilisation,

elle pourra se faire à n’importe quel moment.

I .9.Avantages et inconvénients de l’énergie solaire

I.9.1. Avantage

Les systèmes photovoltaïques ont plusieurs avantages:

• Ils sont non polluants sans émissions ou odeurs discernables.


13

• Ils peuvent être des systèmes autonomes qui fonctionnent sûrement, sans

surveillance pendant de longues périodes.

• Ils n'ont besoin d'aucun raccordement à une autre source d'énergie où à un

approvisionnement en carburant.

• Ils peuvent être combinés avec d'autres sources d'énergie pour augmenter la fiabilité

de système.

• Ils peuvent résister à des conditions atmosphériques pénibles comme la neige et la

glace.

• Ils ne consomment aucun combustible fossile et leur carburant est abondant et libre.

• Une haute fiabilité car l’installation ne comporte pas de pièces mobiles, ce qui la

rend particulièrement appropriée aux régions isolées, d’où son utilisation sur les

engins spatiaux.

• Le système modulaire de panneaux photovoltaïques permet un montage adaptable à

des besoins énergétiques variés ; les systèmes peuvent être dimensionnés pour

des applications allant du milliwatt au mégawatt.

• La technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologiques car le

produit et non polluant, silencieux, et n’entraîne aucune perturbation du milieu.

• Ils ont une longue durée de vie.

• Les frais et les risques de transport des énergies fossiles sont éliminés.

I.9.2. Inconvénients

• La fabrication des modules photovoltaïques relève de la haute technologie, ce qui rend

le coût très élevé.

• Le rendement réel d’un module photovoltaïque et de l’ordre de 10 à 15 %,

• Ils sont tributaires des conditions météorologiques.

• L’énergie issue du générateur photovoltaïque est continu et de faible voltage (< à 30

V) donc il doit être transformé par l’intermédiaire d’un onduleur.

• Beaucoup d’appareils vendus sur le marche fonctionnent avec du 230 V alternatif.

I.10. Constitution d’un système de pompage photovoltaïque

Les systèmes de pompage photovoltaïques comportent nécessairement, outre le

générateur, un "sous-système" constitué au moins d'un moteur d’entraînement faire

fonctionner une pompe. La figure (I.7) représente les différents éléments essentiels (et

optionnels) d'un système de pompage solaire photovoltaïque. Comme un générateur


14

photovoltaïque fournit un courant continu, il faut donc que le moteur électrique soit à courant

continu.

Figure. I.7 Structure d'une station de pompage photovoltaïque

I.10.1. Générateur photovoltaïque

Le générateur photovoltaïque permet de convertir l’énergie solaire en énergie électrique

sous forme de tension et de courant continu, variable selon l’influence de l’éclairement sur les

panneaux solaires. Le composant de base de cette conversion est la cellule photovoltaïque.

I.10.2. Moteur d’entraînement

Un moteur à courant alternatif est moins cher et plus facile à le trouver sur le marché,

mais Il exige l’utilisation d’un onduleur pour fonctionner avec une alimentation

photovoltaïque. Dans ce mémoire on a utilisé un moteur synchrone à aimant permanent qui

est de plus en plus utilisé dans diverses applications telles que les machines outils, la

robotique, les ventilateurs et le pompage photovoltaïque, grâce au développement de

l’électronique de puissance et des matériaux magnétiques et aussi à l’avantage des aimants

permanent qui ont remplacés le rotor bobiné. Ce qui a permis à la machine synchrone à

aimant permanent d’avoir un bon rendement par rapport à la machine asynchrone où à courant

continu,[4]

I .10.3. Pompe de refoulement

Le choix du système de pompage doit être fait en prenant en compte non seulement les

contraintes techniques (type de pompe, énergie, hauteur de refoulement, débit, turbidité de


15

l’eau), mais aussi les contraintes liées au contexte socio-économique (système de pompage

accepté, disponibilité des pièces détachées, facilité de maintenance des pompes).

I.10.4. Circuit hydraulique

Dans un système de pompage le niveau d’eau à l’intérieur du puits ne reste pas constant,

il change selon la quantité d’eau pompée. La différence entre le niveau d’eau statique est le

niveau d’eau instantanée affecté par le pompage (niveau dynamique) s’appelle la hauteur

dynamique. Le système hydraulique est constitué d’un puits, de canalisations et d’un réservoir

[4].

I.11. Pompe photovoltaïque

Une pompe est une machine pour convertir la puissance d'entrée mécanique en

puissance liquide de rendement. Elle est couplée directement au moteur et elle est caractérisée

par un couple, vitesse, débit. Une bonne adaptation entre la pompe et le moteur mène à de

bons résultats. On appelle pompe tout appareil qui aspire un fluide d'une région à basse

pression pour le refouler vers une région à plus grande pression. Ainsi, d'après cette définition

on peut dire que le rôle de la pompe consiste à augmenter la pression du fluide.

L'augmentation de la pression du liquide véhiculé par la pompe a eu lieu suite à la

transformation de l'énergie mécanique fournie par un moteur entraînant cette pompe en une

augmentation de l'énergie hydraulique qui est acquise par le liquide entre l'entrée et la sortie

de la pompe.

Le volume de l'eau pompée dépend de cinq facteurs essentiels :

• Le niveau de rayonnement qui est une mesure de l'énergie disponible du soleil.

• Le générateur photovoltaïque.

• L'efficacité de conversion de la rangée photovoltaïque.

• La température ambiante.

Une pompe photovoltaïque se présente fondamentalement de deux façons selon qu’elle

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

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

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

utilisation.[5]

I.12. Différentes types des pompes

Les pompes à eau sont habituellement classées selon l’emplacement physique de la

pompe par rapport à l’eau pompée, et selon leur principe de fonctionnement.


16

I.12.1. Pompe volumétriques

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

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

alternativement à l’orifice d’aspiration et à l’orifice de refoulement.

Les pompes volumétriques incluent les pompes à vis, les pompes à palettes, les pompes à

Piston et les pompes à diaphragme. Les deux derniers types sont utilisés dans les puits ou les

forages profonds (plus de100 mètres). L’entraînement est habituellement assuré par un arbre

de transmission très long, à partir d’un moteur électrique monté en surface.

Le débit d’eau d’une pompe volumétrique est proportionnel à la vitesse du moteur.

Mais son couple varie essentiellement en fonction de la hauteur manométrique totale (HMT)

et pratiquement constant en fonction de la vitesse de rotation du moteur. Le couple de

démarrage est donc pratiquement indépendant du débit et sera proportionnel à la HMT. La

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

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

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

et que le débit demandé est faible. [6]

I.12.2.Pompe centrifuge

Une pompe est une machine servant à véhiculer un fluide qui peut être de l’eau ou

quelconque (pétrole, huile…) en l’aspirant pour le refouler à une certaine pression.

Une pompe est un système transférant de l’énergie à un liquide de façon à provoquer son

écoulement dans une canalisation.

Figure. 1.7 Schéma de principe d’une pompe centrifuge.


17

I.13. Principe de fonctionnement d’une pompe centrifuge

Sous l’effet de la rotation de la roue, le liquide emmagasiné entre les aubes de la roue

est projeté de la région axiale vers le diffuseur à cause de la force centrifuge ; de ce fait une

dépression est créée à l’entrée de la pompe d’où l’effet d’aspiration du liquide et en même

temps une compression à la sortie de la roue, cela suffit pour établir le mouvement continu de

l’écoulement.

A la sortie de la roue, le liquide est récupéré dans une volute reliée à l’orifice de

refoulement où l’énergie cinétique est transformée en énergie potentielle, on dispose ainsi à

l’orifice de refoulement un débit sous une pression qui se traduit par une hauteur

manométrique de refoulement [7].

I .14.Les avantages et les inconvénients des Pompes centrifuges

I.14.1. Avantage

• Construction simple en général, une seule pièce en mouvement « le rotor ».

• Prix peu élevé.

• Encombrement réduit.

• Jeu assez large, donc facilité de manipuler des liquides contenant des solides en

suspension.

• Entretien en général peu coûteux.

• Peu d’influence de l’usure ou de la corrosion sur les caractéristiques.

• Très large gamme de qualités matières suivant le service requis.

• Grand flexibilité d’utilisation.

• Ajustement automatique du débit à la pression.

• Puissance absorbée limitée, donc sans danger.

I.14.2. Inconvénients

• Limitation de la viscosité.

• En fait, la pompe centrifuge est limitée pratiquement à des viscosités de l’ordre

de 100cSt (centistokes) et son rendement chute rapidement au-delà de cette

valeur.

• Débit légèrement instable, dans les basses valeurs : difficulté de contrôler le

débit. [8]


18

I.15. Conclusion

Dans ce chapitre nous avons présenté un état d’art sur les systèmes de pompage

photovoltaïque étudié dans cette mémoire qui est constitué d’un ensemble d’éléments se

trouvant en interaction ; à savoir les panneaux photovoltaïques, les pompes et le circuit

hydraulique et le moteur d’entrainement, ce qui permet d’introduire à la modélisation et

l’analyse de ce système, chose qu’on va présenter dans le chapitre II.

Chapitre II Modélisation d’un système de pompage photovoltaïque

19

II.1. INTRODUCTION

La demande croissante d'eau dans les zones rurales et sites isolés nécessite la

réalisation d’une solution pratique et économique pour amener en surface les eaux

souterraines. Le pompage de l'eau par l'énergie solaire est une solution attrayante pour les

régions bien ensoleillées de la planète [9].

Généralement, un système de pompage photovoltaïque est constitué d’un générateur

photovoltaïque, un hacheur, un onduleur et un groupe motopompe. Les systèmes de pompage

photovoltaïque fonctionnent au fil du soleil, dans ce chapitre la modélisation de chaque

composant de ces systèmes est présentée.

II .2. Modélisation du générateur photovoltaïque

Pour développer un modèle équivalent d’une cellule photovoltaïque, il est nécessaire de faire

un choix judicieux des circuits électriques qui le constituent et de comprendre la configuration

physique et les caractéristiques électriques des éléments de la cellule. Pour cela, plusieurs

modèles mathématiques sont développés pour représenter le comportement non linéaire des

jonctions des semi-conducteurs. Dans la suite nous présentons deux modèles d’une cellule

photovoltaïque, à savoir le modèle idéel et le modèle réel.

II.2.1. Model idéal d’une cellule photovoltaïque

La cellule photovoltaïque peut être étudiée à partir circuit équivalent donné par la figure (II-1)

composé d’un générateur de courant et d’une diode en parallèle.

Figure. ІI. Schéma électrique idéal d’une cellule photovoltaïque

Le courant généré par la cellule PV est donné par la loi des mailles

( )............................................................ 1ph dI I I II= − −


20

Iph : photocourant.

Id : courant traversant la diode.

( )exp 1 ...................................... 2T

VI I IId s U

= − −

q : charge de l’électron (1.9*10-19coul). k : la constante de boltzman.

I s:courant de saturation.

V : tension à la borne de la diode. T : température absolue (en kelvin).

V : tension à la borne de la diode.

T : température absolue (en kelvin).

II.2.2.Modèle réel d’une cellule photovoltaïque Le model 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 RSet les courants de fuite par une résistance en parallèle RP [10].

Figure. ІI.2 Schéma électrique réel d’une cellule photovoltaïque On définit : Iph photocourant, ou courant généré par l'éclairement (A) La résistance shunt « Rp» en parallèle avec la diode. (en Ω) La résistance série « Rs ». (En Ω)


21

Le courant généré par la cellule PV est donné par la loi des mailles :

( ).................................................................... 3ph d pI I I I II= − − −

- Le courant direct dI d’obscurité de la jonction.

- Le courant I généré par la cellule et fourni à la charge.

- Le courant pI correspond au courant des connexions parallèles.

( )...................................................................................... 4sp

p

V IRI II

R

+= −

( )........................................................................... 5shp d

p

V IRI I I II

R

+= − − −

( ) ( )exp 1 ...................................... 6s sph s

T p

V IR V IRI I I II

A U R

+ += − − − −

II.2.3.CARACTÉRISTIQUE (COURANT – TENSION) :

Une cellule photovoltaïque, en tant que dipôle électrique, dispose de sa propre

caractéristique électrique ainsi qu’illustré ci-dessous. La caractéristique courant-tension est

une relation entre la tension et le courant délivrés par la cellule PV

Figure. II.3 caractéristique I (V) et P (V) à T=25°C et G=1000W/m2

II.2.4. Influence les paramètres climatiques sur la courbe I(V)

a) Influence de température

0 10 20 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5


Tension (V)

Courant (A)

0 10 20 300

10

20

30

40

50

60


Tension (V)

Puissance(w)


22

La température est un paramètre très important dans le fonctionnement des cellules

photovoltaïques parce que les propriétés électriques d un semi conducteur sont très

sensibles à la température. La figure (II.3) représente la caractéristique courant-tension et

puissance -tension d un module (PV) solaire en fonction de la température, à un

éclairement et constante. On remarque que L’augmentation de la température entraîne une

diminution de la tension de circuit ouvert, ainsi qu’une diminution de la puissance

maximale.

Figure .II.4 L’influence de la température sur la caractéristique

b) Influence de la l’éclairement

La puissance délivrée par un générateur PV dépend de l’irradiation quel reçoit

La figure (II.4) représente la caractéristique courant-tension et puissance tension d’un

module (PV) solaire en fonction de l’éclairement, à une température et une vitesse de

circulation de l’air ambiant constantes.

On remarque que la tension Vmax correspondant à la puissance maximale ne varie que très

peu en fonction de l’éclairement, contrairement au courant Imax qui augmente fortement avec

l’éclairement.

0 5 10 15 20 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5


Tension (V)

Coura

nt (A

)

25°50°

75°100°

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60


Tension (V)

Puissance(w

)

25°

50°

75°

100°


23

Figure .II.5 L’influence de l’éclairement sur la caractéristique I=f(V)

II.2.5.Constitution d’un générateur photovoltaïque

En fonction de la puissance désirée, les modules peuvent être assemblés en panneaux

pour constituer un "champ photovoltaïque". Relié au récepteur sans autre élément, le panneau

solaire fonctionne "au fil du soleil", c'est-à-dire que la puissance électrique fournie au

récepteur est fonction de la puissance d'ensoleillement. Elle est donc à son maximum lorsque

le soleil est au zénith et nulle la nuit. Mais, très souvent, les besoins en électricité ne

correspondent pas aux heures d'ensoleillement et nécessitent une intensité régulière (éclairage

ou alimentation de réfrigérateurs, par exemple). On équipe alors le système de batteries

d'accumulateurs qui permettent de stocker l'électricité et de la restituer en temps voulu [11].

Pour un certain nombre d'applications, le courant continu produit, par le générateur

photovoltaïque, est convertit à l'aide d'un onduleur en courant alternatif. Un module

photovoltaïque est constitué d’un ensemble de cellules photovoltaïques élémentaires montées

en série et/ou en parallèle afin d’obtenir des caractéristiques électriques désirées tels que: la

puissance, le courant de court-circuit Icc ou la tension en circuit ouvert Vco. Un générateur

photovoltaïque est constitué d’un ou plusieurs modules PV en série et / ou en parallèle pour

obtenir une puissance, un Icc et un Vco désirés figure suivante Figure (II.8) [12].

0 5 10 15 20 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5


Tension (V)

Courant (A

)

1000W/m2

800W/m2

600W/m2

400W/m2

200W/m2

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60


Tension (V)

Puissance(w

)

1000W/m2

800W/m2

600W/m2

400W/m2

200W/m2

Chapitre II

Figure

II.2.6.Principe de recherche du poin

La figure (II.7) représente le

commande MPPT fait varier le rapport cyclique du convertisseur statique (CS), à l’aide d’un

signal électrique approprié, pour tirer le maximum de puissance que le GPV peut fournir.

L’algorithme MPPT peut être plus ou moins compliqué pour rechercher le MPP. En général,

il est basé sur la variation du rapport cyclique du CS en fonction de l’évolution des paramètres

d’entrée de ce dernier (I et V et par conséquent de la puissance du GPV) jusqu’à se place

le MPP. Plusieurs algorithmes sont présents dans la littérature, nous

l’algorithme Perturbe et observe grâce à sa

Figure .II.

Modélisation d’un système de pompage photovoltaïque

Figure .II. 6 Schéma d’association de module photovoltaïque

Principe de recherche du point de puissance maximale (MPPT)

) représente le schéma de principe d’un convertisseur MPPT classique. La



peut être plus ou moins compliqué pour rechercher le MPP. En général,


d’entrée de ce dernier (I et V et par conséquent de la puissance du GPV) jusqu’à se place

le MPP. Plusieurs algorithmes sont présents dans la littérature, nous

observe grâce à sa simplicité.

II.7 Schéma de principe du convertisseur MPPT

Modélisation d’un système de pompage photovoltaïque

24

Schéma d’association de module photovoltaïque

t de puissance maximale (MPPT)

de principe d’un convertisseur MPPT classique. La



peut être plus ou moins compliqué pour rechercher le MPP. En général,


d’entrée de ce dernier (I et V et par conséquent de la puissance du GPV) jusqu’à se placer sur

le MPP. Plusieurs algorithmes sont présents dans la littérature, nous s’intéressent de

de principe du convertisseur MPPT.


25

II.2.7.L’algorithme « Perturbation et Observation » ou P&O

Le principe des commandes MPPT de type P&O consiste à perturber la tension VPV

d’une faible amplitude autour de sa valeur initiale et d’analyser le comportement de la

variation de puissance PPV qui en résulte Ainsi, comme l’illustre la figure(II.8) on peut déduire

que si une incrémentation positive de la tension VPV engendre un accroissement de la

puissance PPV, cela signifie que le point de fonctionnement se trouve à gauche du PPM.

Figure .II.8 Schéma de converge vers le PPM par P&O.

La figure (II.9) représente l’algorithme classique associé à une commande MPPT de type

P&O, où l’évolution de la puissance est analysée après chaque perturbation de tension. Pour

ce type de commande, deux capteurs (courant et tension du GPV) sont nécessaires pour

déterminer la puissance du PV à chaque instant.


26

Figure .II.9 Algorithme de MPPT a base de la méthode P&O.

Telle que :

PPVn: la nouvelle puissance

PPVn-1: l'enceint puissance dans le temps (t-1)

( )1 : ................................................................. .8pvn pvn

V V V II−∆ = −

( )1 : .................................................................. .9pvn pvn

p p p II−∆ = −


27

La méthode P&O est aujourd’hui largement utilisée de part sa facilité d’implémentation,

cependant elle présente quelques problèmes liés aux oscillations autour du PPM qu’elle

engendre en régime établi car la procédure de recherche du PPM doit être répétée

périodiquement, obligeant le système à osciller en permanence autour du une fois ce dernier

atteint. Ces oscillations peuvent être minimisées en réduisant la valeur de la variable de

perturbation. Cependant, une faible valeur d’incrément ralenti la recherche du PPM, il faut

donc trouver un compromis entre la précision et la rapidité. Ce qui rend cette commande

difficile à optimise.

II.2.8.Dimension d’un générateur PV

La puissance que doit fournir un générateur PV est calculée en fonction de la

puissance demandée par l’ensemble moteur-pompe. Donc, les dimensions de ce générateur

sont en fonction de la puissance délivrée au moteur, le rendement du générateur et

l’éclairement.la surface effective du générateur est donnée par l’équation suivante [13] :

( )3

.100......................................................................... .9

. .10h ab

g

g c

N PA II

N E=

Ou,- Nh est le nombre d’heures de fonctionnement de la charge (moteur-pompe) par jour (7

heures par jour) ;

-Ng est le rendement du générateur ;

-Ec est l’éclairement moyen quotidien (la valeur moyenne annuelle est de 5.56Kwh/m2 [14]).

Le nombre de modules est :

( ).............................................................................. .10g

m

m

AN II

A=

Où, Am est la surface effective du module.

Le rendement du générateur est donné par [15]:

( ). . . ...................................................................... .11

g m pa pc ptF F F IIη η=

Avec :-mη est le rendement du module ;

-paF est le facteur de désadaptation entre le point de travail du moteur est le point de puissance

maximale (on le prend de l’ordre de 0.9) ;

- pcF est le facteur de désadaptation entre le point de travail du moteur est le point de

puissance maximale (on le prend de l’ordre de 0.9) ;


28

- pcF est le facteur du a la dispersion des caractéristiques des modules (0.98) ;

- ptF est le facteur déperdition du a l’influence des caractéristiques des modules (0.91)

II.3.Variation de l’éclairement en fonction du temps

Afin d’étudier la variation de l’éclairement en fonction du temps, une approche

simplifier a été élabore a partir d’une forme d’une cloche en l’approchant a une fonction

sinusoïdale dont l’expression mathématique est donnée par l’équation suivant :

( ).sin( ).............................................................. .12m

E E z II=

Avec z est l’angle que font sur le plan équatorial les projections de la direction du

soleil et de la direction du sud pour un lieu donné définit par degré Et qui vaut :

( )15.( ).3.14 /180................................................... .13sr

Z t t II= −

Avec ; t est temps solaire, c’est l’angle horaire du soleil à un instant et à un lieu donné

(En heures) et tsr est le temps solaire correspondant au levé du soleil (en heures). [6]

II.4. L’onduleur

L’alimentation d'un moteur électrique triphasé avec un générateur photovoltaïque

nécessite l'utilisation d'un convertisseur qui transforme la tension continue produite par le

générateur en un système d'alimentation triphasé alternative d'amplitude et de fréquence

réglables ; ceci peut être réalisable par un onduleur de tension.

Figure .II.10 Schéma d’un onduleur de tension connecté au PV.

L’onduleur de tension utilisé se décompose en trois bras de commutation à transistors.

Chaque bras composé de deux cellules comportant chacune une diode et un transistor; ces


29

éléments sont considérés comme des interrupteurs ces derniers sont commandés de manière

complémentaire à l’ouverture et à la fermeture. Si l’interrupteur du haut est ouvert, celui du

bas est fermé.

Les tensions composées sont obtenues à partir des sorties de l’onduleur :

−=

−=

−=

00

00

00

ancnca

cnbnbc

bnanab

VVU

VVU

VVU

:………………………………………………..............(II.14)

Les tensions simples des phases de la charge issues des tensions composées ont une somme nulle, donc

( ) [ ]( ) [ ]( ) [ ]

−=

−=

−=

bccacn

abbcbn

caaban

UUV

UUV

UUV

3/1

3/1

3/1:…………………………………………………...(II.15)

Elles peuvent s’écrire à partir des tensions de sorties de l’onduleur en introduisant la tension du neutre de la charge par rapport au point de référence n0

=+

=+

=+

00

00

00

cnnncn

bnnnbn

annnan

VVV

VVV

VVV

:………………………………………………………….(II.16)

Donc, on peut déduire que : ( ) [ ]0000 3/1 cnbnannn VVVV ++= :…………………………………………….(II.17)

L’état des interrupteurs supposés parfaits ( )cbaiSi ,,=⇔ on a :

20

00

UUSV iin −= :……………………………………………………...…...(II.18)

On a donc : ( )( )( )

−=

−=

−=

00

00

00

5.0

5.0

5.0

USV

USV

USV

ccn

bbn

aan :……………………………………………………....(II.19)

En remplaçant (40) dans (38), on obtient :

+−−=

−+−=

−−=

000

000

000

3

2

3

1

3

13

1

3

2

3

13

1

3

1

3

2

cnbnancn

cnbnanbn

cnbnanan

VVVV

VVVV

VVVV

:…………………………………………….(II.20)

En remplaçant (40) dans (41), on obtient :

( )0

2 1 11

1 2 1 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 13

1 1 2

an a

b n b

c n c

V S

V U S II

V S

− − = − −

− −

II.5.Modélisation du système moto-pompe

Une pompe à énergie solaire est une pompe ordinaire munie d'un moteur électrique.


30

Pour générer sur place l'électricité nécessaire au moteur, un panneau solaire convertit l'énergie

du soleil en courant électrique continu. Comme les panneaux solaires génèrent un courant

électrique continu, on doit utiliser une pompe à énergie solaire équipée d'un moteur à courant

continu, à moins d'y ajouter des composants électriques supplémentaires. Si la pompe possède

un moteur à courant alternatif, il faut lui ajouter un convertisseur pour transformer le courant

continu produit par le panneau solaire en courant alternatif. En raison de la complexité de

cette solution, des coûts supplémentaires qu'elle exige et de l'efficacité réduite des systèmes à

courant alternatif, la plupart des pompes à énergie solaire sont équipées d'un moteur à courant

continu. [16]

II.5.1.Modélisation la machine synchrone a aiment permanent

Dans les machines synchrones à aimants permanents, les aimants sont aussi situés sur

la partie tournante. Le stator est constitué d'un enroulement triphasé distribué

sinusoïdalement. Concernant son fonctionnent, il est basé sur le principe de rotation du champ

magnétique en synchronisme avec le rotor ; d'où le nom des machines synchrone à aimants

permanents (MSAP). Dans la plupart des applications, un onduleur est nécessaire pour avoir

une alimentation avec une tension et une fréquence variables.

Figure. II.11 schéma de la MSAP

a) Équations électriques

[ ] [ ] [ ] [ ] ( ). ......................................................................... .22abc

ab abc

dV R I II

dt

ψ= +

[ ] [ ] [ ] [ ] ( ). ........................................................................... .23abc s abc abc

L I IIψ ψ= +

b) Expression du couple électromagnétique


31

Le couple électromagnétique eC est exprimé par la dérivée partielle de stockage d'énergie

électromagnétique par rapport à l'angle géométrique de rotation du rotor

( )...................................................................................... .24e ee

geo e

dW dWC P II

d dθ θ= =

:eW Énergie emmagasinée dans le circuit magnétique.

:geoθ Ecart angulaire de la partie mobile (rotor par rapport au stator)

P : nombre de paire de pôle.

c) Équations mécaniques

La conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique dans les machines synchrones est

donnée par la relation suivante : [9]

( ).( . ).............................................................................. .25e r r

dJ J C C f IIdt

Ω= − − Ω

( ) ( ). . .......................................................................... .26e r r

dJ J C C f IIdt

Ω= − − Ω

( ) ( ). . .............................................................................. .27e r r

dJ C C f II

dt

Ω= − − Ω

( ) ( )3. . . . . . . ................................ .28

2 d q d q f d r r

dJ p L L I I I C f II

dtψ

Ω = − + − − Ω

d) Rendement de la MSAP

Le rendement d’un moteur électrique est défini par le rapport entre la puissance mécanique

fournie et la puissance électrique absorbée.

( )................................................................... .29aUm

a a

P pertsPn II

P P

−= = ∑

aP : Puissance absorbée (électrique).

uP : Puissance utile (mécanique).

perts∑ : représentes la somme des pertes électriques, magnétiques, mécaniques et

supplémentaires.

( )sup........................................................ .30

j fer mécperts P P P P II= + + +∑


32

II.5.2.Modèle moto-pompe

Le moteur utilisé dans ce système de pompage doit être déterminé en fonction de la

puissance de la pompe. Pour mieux définir le type de moteur il faut tenir compte de certains

facteurs :

- Source d’alimentation (générateur photovoltaïque) ;

- Type de pompe

- Mode d’accouplement (directe, par courroie…etc).

Le moteur est alimenté par une tension et un courant qui sont fournis par le générateur PV

selon l’équation fonctionnement :

( ). ......................................................................................... .31s

U R I E II= +

( )................................................................................................ .32E

E K IIω=

Avec sR est la résistance de phase du moteur, E la force électromotrice d’une phase et

EK

constante de la fem. Le chargement d’éclairement peut cause des changements dans ces

valeurs.

Le couple électromagnétique est exprimé par :

( ).................................................................................................. .33em TT K I II=

Ou,TK est la constante du couple et I le courant de phase.

A partir des relations précédentes, on peut déduire la relation couple-vitesse du moteur dans

l’état stable qui est :

( ).

............................................................................ .34

ems

T

E

TU R

KII

Kω

−

=

L’équation dynamique du moteur est :

( )............................................................... .35em L p

dT T J f T II

dt

ωω− = + +

LT est le couple de charge .f est coefficient de frottement et pT est le couple des pertes le

couple de charge est donné par la relation [17]

( )2................................................................................ .36LT a bw II= +

Les constantes a et b dépend de la charge qui est la pompe.


33

La pompe sert a puiser l’eau, l’élever et la mettre sous pression. Plusieurs types de pompes

sont utilisés dans le système solaire comme par exemple, les pompes centrifuge et celles

volumétriques.

Les pompes centrifuges entrainées par un moteur synchrone a aiment permanents sont

souhaitables pour le pompe d’eau dans puits peu profonds. Pour des puits très profonds, on

préfère utiliser les pompes volumétriques, mais leur rendement avec un moteur a courant

continu est faible par rapport au celui de la pompe centrifuge.

La puissance absorbée pP d’une pompe est la puissance absorbée au niveau de l’accouplement

ou de l’arbre de la pompe. Elle est déterminée d’après la formule suivant [18], [19]

Avec :- Q est le débit en m3/s ;

- H est la hauteur d’élévation totale en m ;

- P est la densité de l’eau en Kg/m2 ;

- Ƞp est le rendement de la pompe.

- g est la pesanteur en m/s2

Donc, on peut écrire l’équation du couple de charge comme suit :

( ). . ..................................................................... .37L

g Q HT II

ρω

=

L’installation d’une pompe dans un système de pompage exige la connaissance de ces

paramètres qui nous permettent de déterminer son pont de fonctionnement (débit nominal nQ

et la hauteur d’élévation totale H assurés pour une vitesse de rotation nominale W).Le

comportement de la pompe pour des condition différentes peut être définit par des courbes

caractéristiques permettant de déduire le point de fonctionnement de la pompe et qui sont :

Courbe hauteur-débit (H=f(Q)), courbe de puissance – débit (P=f(Q)) [20], [21], [22]

( )20 1 2 .................................... .38H a aQ a Q II= + +

( )20 1 2 ..................................... .49P b bQ b Q II= + +

( )20 1 ............................................ .40H C C Q II= +

0 1 2 0 1 2 0, , , , , ,a a a b b b C Et 1C sont des constantes en fonction des dimensions de la pompe. La

dernière relation présente la hauteur nécessaire pour la canalisation de la pompe en fonction

du débit.

La relation liant le débit et la hauteur est donnée par :

( )3/4. ................................................ .41q r

Qn N II

H=


34

Avec : - rN est la vitesse (tr/mn) ;

• qn est la vitesse spécifique de la pompe (pour des aubes a simple courbure, elle est

inférieure a 30tr/mn).

Pour une pompe centrifuge, le rendement global peut atteindre 0.9 dans le cas de pompes

importantes, mais il peut descendre jusqu'à 0.4 s’il s’agit de très petites [15]

Le rendement de la pompe est exprimé par la pompe est :

( ). ....................................................... .42

.L

m g HII

Tη

ω=

m est la masse du débit.

Le rendement du générateur PV est donné par en fonction de la tension et du courant

délivrées :

( ).......................................................... .43

.g

g

V III

A Eη =

Le rendement du système moteur-pompe est donné par :

( ). . ................................................. .44

.mp

g Q HII

V I

ρη =

Et par conséquent le rendement global du system est

( ). .......................................................... .45g mp

IIη η η=

II.5.3 Combinaison du moteur et pompe

On peut décrire le bloc moteur-pompe comme un élément de conversion de l’énergie

électrique en une énergie mécanique.

La puissance de la pompe est liée à la puissance mécanique du moteur par la relation :

( ). ....................................................... .46m t

P P IIη=

Avec,

tη est le rendement de transmission.

La puissance à fournir par le moteur est déterminée d’après la valeur trouvée pour la

puissance absorbée par la pompe et pour le point de fonctionnement considéré.

Toutefois, pour prévenir certaine imprévus d’exploitation, il sera prudent de majorer la

puissance absorbée par la pompe des quantités suivantes [23] :

30% pour une puissance absorbée de moins de 4 kw ;


35

20%pour une puissance absorbée comprise entre 4 et 20 kw ;

10%pour une puissance absorbée supérieur à 20 kw.

II.6.Conclusion

Les générateurs photovoltaïques ont des comportements non linéaires et la puissance délivrée

par eux est variable en fonction de l’éclairement et la température. L’utilisation d’un

régulateur MPPT (Maximum Power Point Tracking) est nécessaire pour permettre au GPV de

fonctionner dans sa zone optimale.

L’une des applications intéressantes de l’énergie solaire est le pompage d’eau. Une

modélisation mathématique de chaque élément constituant le système solaire de pompage

d’eau a été présenté dans ce chapitre. Afin de faciliter l’accès à la simulation du système.

Chapitre III simulation et étude expérimentale sur site

36

III.1. Introduction

A partir du modèle du système solaire de pompage d’eau présenté dans le chapitre

précédent, on essaye à travers ce chapitre d’améliorer les performances de ce système en tenant

compte des variations climatiques du générateur photovoltaïque. On aussi réalisé des essais

expérimentales dans le centre de recherche applique en énergie renouvelables.

III.2. Présentation du Système

Généralement, le système de pompage solaire a des entrées fluctuantes qui sont les

variables météorologiques ; à savoir l'ensoleillement (G) et la température ambiante (T). Sa sortie

est le débit d'eau pompé (Q). La figure (III.1) présente un schéma synoptique global d’un système

solaire de pompage d’eau étudie dans ce mémoire.

Figure.III.1 Schéma synoptique d’un système solaire de pompage d’eau.

Comme l'indique le schéma, le panneau photovoltaïque délivre une tension continue suite à un appel

de courant de l'onduleur de tension et ceci en fonction de l'ensoleillement disponible et de la

température des cellules. À son tour, l'onduleur de tension transforme cette tension continue issue

du générateur solaire en une tension alternative avec une certaine fréquence pour alimenter le

moteur synchrone ; ce dernier transforme la tension d'alimentation à ses bornes en une vitesse de

rotation et un couple électromagnétique qui dépendent du couple résistant imposé sur son arbre


37

par la pompe. En fonction de la vitesse de rotation du moteur, la pompe soulève l'eau avec un

débit (Q).

III.3. Résultats de simulation et interprétation

A partir du modèle décrit, on peut analyser les performances d’un système solaire de

pompage d’eau utilisant un moteur synchrone a aiment permanent couplé à une pompe

centrifuge.

La figure (III.2) : présente la variation de la tension délivrée par le générateur et fonction du

courant pour divers types d’éclairement avec un MPPT, ou l’effet de l’éclairement est

proportionnelle aux courants et tension délivrées par le générateur PV.

La figure (III.3) : présente la variation de la tension délivrée par le générateur et fonction du

courant pour divers types d’éclairement avec un MPPT, ou l’effet de l’éclairement est

proportionnelle aux puissances et tension délivrées par le générateur PV.

La figure (III.4) : présent la variation de l’éclairement en fonction du temps ou l’intensité

d’ensoleillement élevée est obtenue vers le midi.

La figure (III.5) : présente la variation de la hauteur d’élévation en fonction du débit de la pompe

pour diverse vitesse de rotation, ou atteint des débits élevés pour des vitesses grandes et des

hauteurs faibles.

La figure (III.6) : illustre la variation du débit d’eau en fonction de l’éclairement ou il faut un

minimum de radiation solaire pour que l’eau débite.

La figure (III.7) : présente la variation le rendement du système en fonction de l’éclairement, ou

on déduit l’influence de l’éclairement sur le rendement global du système l’éclairement et ce qui

insiste sur le choix de type de module utilisé.


38

Figure. III.2 Caractéristique I(V) du générateur PV (20 modules pour T=25°), * : courbe avec MPPT.

Figure.III.3. Caractéristique p(V) du générateur PV (20 modules pour T=25°), * : courbe avec

MPPT.

0 50 100 150 200 2500

1

2

3

4

5

6

7


Tension (V)

Courant (A)

0 50 100 150 200 2500

200

400

600

800

1000

1200


Tension (V)

Puissance(w)


39

Figure. III.4 : Variation de l’éclairement durant une journée

Figure. III.5 Hauteur de la pompe en fonction du débit pour divers vitesse de rotation

6 8 10 12 14 16 180

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

temp(h)

Eclairement(W/m2)


40

Figure. III.6 Variation du débit de la pompe en fonction de l’éclairement

Figure.III.7 Rendement du système en fonction de l’éclairement.

0 200 400 600 800 10000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Eclairement (W/m2)

Débit(m

3/min)

0 200 400 600 800 10000

0.5

1

1.5

2

2.5

Eclairement (W/m2)

rendement du systéme(%)


41

III.4. Etude expérimentale

III.4.1. Description du système de pompage expérimentale

Le système de pompage choisi est un prototype installé a l’unité de recherche applique en

énergie renouvelable de la ville de ghardaia .C’est l’association de quatre sous système nommés.

C’est dans ce contexte que s’inscrive une étude expérimentale à l’unité de recherche appliqué en

énergies renouvelables (URAER) Ghardaïa.

III.4.2. composition du système

Deux bancs d’essais sont utilisés pour munir à bien la modélisation d’un système de pompage

photovoltaïque.

III.4.3.banc d’essai de pompage

Le banc d’essais installé au niveau du l’URAER permet de tester et un système solaire de

pompage avec un chaque éliment utilisé.

Ce banc d’essais est réalisé en acier inoxydable. Il est facilement démontable. Il est constitué des

éléments suivants:

• une cuve inoxydable d’une profondeur de 2 m et de 1 m de diamètre considéré comme un

puits artificiel

• un circuit hydraulique

• des capteurs de débit et de niveaux

• une armoire de visualisation

• des armoires de connexion et de configuration

• un générateur photovoltaïque de 2.75 kW

• un ordinateur personnel PC pour le stockage et le traitement des mesures.


42

Figure.III.8 banc d’essai de pompage.

III.4.4. moto-pompe

Les caractéristique électrique de moto-pompe utilisé dans notre travaille sont : (Im =4.6A

Vm=64V Pm=300W)

Figure.III.9 moto-pompe


43

III.4.5. l’onduleur

L’Onduleur solaire utilisé de type PS 1800 Pour transformer la tension générée par le générateur

photovoltaïque en tension alternatif.

Figure. III.10 convertisseur (onduleur)

III.4.6. unité de contrôle et traitement des données

Elle traite et sauvegarde les valeurs qui ont été mesurées dans chaque période de 10 secondes.

Figure.III.11 unité de contrôle et traitement


44

III.4.7. Banc d’essai caractérisation du générateur PV

Le générateur photovoltaïque est constitué de 25 modules de type (ISOFOTON) 110W/40V

montés 5 modules en branches parallèles et 5 modules en série.

Figure .III.12 générateur photovoltaïque

III.4.8. Résultats expérimentales

Les tableaux et les graphes ci-dessous représente les résultats de l’expérimentales :

L’heure de mesure (h)

Débit Q(m^3/h)

Eclairement

(w/m^2)

Courant I(A)

tension V(v)

Hauteur H(m)

08 :43 :10 1.31 417 1.09 225 20

09 :43 :10 2.37 625 1.79 213 20

10 :43 :10 3.05 789 2.29 203 20

11 :43 :10 3.33 893 2.49 196 20

12 :43 :10 5.90 925 4.68 204 20

13 :43 :10 5.88 893 5.68 203 20

14 :43 :10 5.59 766 4.38 197 20

15 :43 :10 4.74 603 3.48 201 20

16 :43 :30 3.78 475 2.59 208 20

Tableau (1) : Relevé de mesures les paramètres incident


45

Figure. III.13. L’éclairement en fonction du temps sur l’intervalle

[08 :40 :30 – 16 :25 :43]

Figure.III.14. début en fonction du temps sur l’intervalle

[08 :40 :30 – 16 :25 :43]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00

E(w/m^2)

E(w/m^2)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

7:12:00 8:24:00 9:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00

Q(m^3/h)

Q(m^3/h)


46

Figure.III.15 tension en fonction du temps sur l’intervalle

[08 :40 :30 – 16 :25 :43]

Figure.III.16 courant en fonction du temps sur l’intervalle

[08 :40 :30 – 16 :25 :43]

• Résultats Deuxième journée de mesures

Une deuxième série de mesures a été effectuée au cours d’une nouvelle journée (23Mares 2016)

présentant un mauvais ensoleillement en tout la journée et on remarquer que

L’influence les conditions climatique (éclairement et température) sur le fonctionnement de

system de pompage photovoltaïque.

185

190

195

200

205

210

215

220

225

230

7:12:00 8:24:00 9:36:0010:48:0012:00:0013:12:0014:24:0015:36:0016:48:0018:00:00

V(v)

V(v)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7:12:00 8:24:00 9:36:0010:48:0012:00:0013:12:0014:24:0015:36:0016:48:0018:00:00

I(A)

I(A)


47

L’heure de mesure (h)

Débit Q(m^3/h)

Eclairement

(w/m^2)

Courant

I(A)

tension

V(v)

Hauteur

H(m)

08 :45 :56 3.22 453 1.29 207 10

09 :45 :56 4.04 616 1.79 205 10

10 :45 :56 0.91 253 0.80 181 10

11 :45 :56 5.73 1083 2.98 199 10

12 :45 :56 5.14 947 2.69 189 10

13 :45 :56 4.95 894 2.59 188 10

14 :45 :56 0.73 206 0.59 195 10

15 :45 :56 3.59 544 1.59 193 10

16 :45 :56 1.65 287 0.80 196 10

Tableau (1): Relevé de mesures les paramètres incident

Figure.III.17 L’éclairement en fonction du temps sur l’intervalle

[08 :28 :46 – 16 :28 :52]

0

200

400

600

800

1000

1200

7:12:00 8:24:00 9:36:00 10:48:0012:00:0013:12:0014:24:0015:36:0016:48:0018:00:00

E(w/m^2)

E(w/m^2)


48

Figure.III.18 début en fonction du temps sur l’intervalle

[08 :28 :46 – 16 :28 :52]

Figure.III.19 courant en fonction du temps sur l’intervalle

[08 :28 :46 – 16 :28 :52]

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

7:12:00 8:24:00 9:36:0010:48:0012:00:0013:12:0014:24:0015:36:0016:48:0018:00:00

Q(m^3/h)

Q(m^3/h)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

7:12:008:24:009:36:0010:48:0012:00:0013:12:0014:24:0015:36:0016:48:0018:00:00

I(A)

I(A)


49

Figure.III.20 tension en fonction du temps sur l’intervalle

[08 :28 :46 – 16 :28 :52]

III.5. Conclusion

Dans ce chapitre nous avons présentés une simulation de systèmes de pompage solaire

Ensuite on a fait une simulation du système complet en fonction de l’influence du, Changement

de l'éclairement sur les caractéristiques de système, Aussi présenté une validation expérimentale

sur site, La procédure d’installation a été décrite, les mesures de débit et le courant et la tension

du générateur photovoltaïque, et le débit d’eau de la pompe.

0

50

100

150

200

250

7:12:00 8:24:00 9:36:00 10:48:0012:00:0013:12:0014:24:0015:36:0016:48:0018:00:00

V(v)

V(v)

Conclusion générale

50

Conclusion générale

Le travail présenté dans ce mémoire concerne la modélisation, la simulation d’un système de

pompage solaire. Ainsi une validation expérimentale de pompage d’eau au fil du soleil, où le

moteur d’entraînement est directement couplé au générateur photovoltaïque.

Ce système se présente comme une solution idéale pour l’alimentation de l’eau pour les régions

peu peuplées, isolées et enclavées.

L’étude des systèmes de pompage solaire a permis la connaissance du comportement de ces

derniers en fonction de l’éclairement et de la température et leurs effets sur les caractéristiques

électriques, et par conséquent sur leur rendement.

A travers cette étude on peut constater que

La puissance électrique produite par un générateur photovoltaïque dépend fortement de

l’ensoleillement et un degré moins de la température des cellules. Ces deux variables influencent

le comportement du système.

Le choix du moteur électrique dépend en général du type de la charge à entraîner qui est dans

notre cas la pompe. Les moteurs synchrones et ceux à aimants permanents sont considérés permis

les meilleurs types de moteurs qui sont utilisés dans l’entraînement des pompes, puisqu’ils

présentent un rendement élevé, simplicité de commande et faible maintenance.

Les caractéristiques des pompes centrifuges sont particulièrement intéressantes dans le cadre de

l'utilisation des modules photovoltaïques.

Par un choix convenable du module solaire (rendement meilleur), le pompage photovoltaïque

permet d’obtenir des débits nettement plus importants avec amélioration du rendement du

système global.

L’utilisation des algorithmes de MPPT pour optimiser les différents points de puissance

maximale du système photovoltaïque.

Référence Bibliographique

Référence et Bibliographique

[1] Rachid M «Modélisation d’un module P V « « ECEN 2060 » » autonome sur Matlab et

le moyen de stockage» Ecole Normale Supérieur d’Enseignement Technologique de Skikda

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[2] Bouden A «analyse optimisée de système de pompage photovoltaïque » université de

Constantine 2008

[3] bensaci wafa « modélisation et simulation d’un système photovoltaïque adapte par une

commande MPPT » thèse master en génie électrique université de Ouargla 2011.

[4] Boukhers Djamil «optimisation d’un système d’énergie photovoltaïque application au

pompage », université de Constantine 28.11.2007

[5] T.nabil "Etude d’une pompe a eau solaire pour alimenter un chantier pétrolier" Mémoire

de Magister, université kasdi merbah –OUARGLA

20.01.2009

[6] J.Y. LE Chenadec, « Les machines synchrones : Technologies et différents modes

d’alimentations des machines synchrones », Cours polycopiés, Lycée Louis ARMAND,

Nogent sur Marne, 1997

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Mémoire d’ingénieur d’état, Institut de Génie Mécanique, 1996.

[8] : meflah -aissa « modélisation et commende d’une chaine de pompage photovoltaïque »

[9] K. Kassmi, M. Hamdaoui1 et F. Olivié « Conception et modélisation d’un système

Photovoltaïque adapté par une commande MPPT analogique » Revue des Energies

Renouvelables Vol. 10 N°4(2007).

[10] A. T.SINGO ‘ Système d’alimentation photovoltaïque avec stockage hybride

Pour l’habitat énergétiquement autonome’ Thèse de doctorats, université Henri

Poincaré, Nancy-I, 2010.

[11] B. abdelmalek «Analyse optimisée de système de pompage photovoltaïque» université

de Constantine .2008.

[12] S.abouda «contribution a la commande des systèmes photovoltaïques application aux

systèmes de pompage» université de Reims Champagne-Ardenne 14/04/2015

[13] M.ARROUF ‘Optimisation de l’ensemble onduleur, moteur et pompe branche sur

Un générateur photovoltaïque’, thèse doctorats université de Constantine, 2007.

Référence Bibliographique

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photovoltaic Water pumping system » CCECE, Montréal Mai 2003IEEE.

[15] Mukund R.patel, ph,D.,P.E. « wind and solar power systems » CRC press

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[16] H. Suehrcke , J.Appelbaum and B. Reshf Agbossou « Montréal a permanent Magnet DC

Motor/Centrifugal pump Assembly in a photovoltaic Energy System » Solar ELSEVIER

1997Vol.59,Nos.1-3,pp.37-42.

[17] Bhim singh, C.L putta swamy and B.P.Singh « analysis and development of a low-cost

permanent magnet brushless DC motor drive for PV-array fed water pumping system » Solar

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[19]: - W. Anis and H.M.B. Metwally « Dynamic Performance of a Directly Coupled PV

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[20]:C.L.putta Swamy , B.Singh « Dynamic performance of a permanent magnet solar cells.

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[21]:viorel Bdescu «Dynami lodel of a complex system including PV cells, electric battery,

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[22] : «Détermination des pompes centrifuges », pompes Guiard April/1992KSB.

[23] A. Hadj Arab ,F.chenlo,K.Mukadam end J.L. Balenzategui « performance of PV water

pumping systems» Renewable Energy 18(1999) 191-204 published by Elsevier Science .

Liste des figures

50

Liste des figures

Chapitre 1 : Etat de l’art des systèmes de pompage photovoltaïque

Figure. I.1 : Spectre solaire……………………………………………………...……5

Figure. I.2 : Représentation schématique d'une cellule solaire..……………………...8

Figure. I.3 : Différents types des cellules solaires…………………………………….8

Figure. I.4:Caractéristique résultante d’un groupement en série de ns cellules …….10

Figure. I.5: Caractéristique résultante d’un groupement en parallèle de np cellules

identiques…………………………………………………………………………….11

Figure. I.6 : Caractéristique résultante d’un groupement hybride de cellules….......11

Figure. I.7 : Structure d'une station de pompage photovoltaïque……………….…...14

Figure. 1.7 Schéma de principe d’une pompe centrifuge……………………………16

Chapitre II : modélisations d’un système de pompage photovoltaïque

Figure. ІI. Schéma électrique idéal d’une cellule photovoltaïque…………………..17

Figure. ІI.2: Schéma électrique réel d’une cellule photovoltaïque……….……....…18

Figure. II.3 : caractéristique I (V) et P (V) à T=25°C et G=1000W/m2………….…19

Figure .II.4: L’influence de la température sur la caractéristique ………………....20

Figure .II.5: L’influence de l’éclairement sur la caractéristique I=f(V)…………….21

Figure .II. 6: Schéma d’association de module photovoltaïque…………………….22

Figure .II.7 : Schéma de principe du convertisseur MPPT……………………….…23

Figure .II.8: Schéma de converge vers le PPM par P&O……………………..…….23

Figure .II.9: Algorithme de MPPT a base de la méthode P&O……………………..24

Figure .II.10: Schéma d’un onduleur de tension connecté au PV........................…...27

Figure. II.11 : schéma de la MSAP……………………………………………….…29

Liste des figures

51

Chapitre III : simulation et étude expérimentale sur site

Figure.III.1 : Schéma synoptique d’un système solaire de pompage d’eau…….…34

Figure. III.2 Caractéristique I(V) du générateur PV (20 modules pour T=25°), * :

courbe avec

MPPT………………………………………………………………………………...36

Figure.III.3. Caractéristique p(V) du générateur PV (20 modules pour T=25°), * :

courbe avec MPPT…………………………………………………...………………36

Figure. III.4 : Variation de l’éclairement durant une journée……………………….37

Figure. III.5 : Hauteur de la pompe en fonction du débit pour divers vitesse de

rotation……………………………………………………………………………….37

Figure. III.6: Variation du débit de la pompe en fonction de l’éclairement…...........38

Figure.III.7: Rendement du système en fonction de l’éclairement…………….……38

Figure.III.8: banc d’essai de pompage……………………………………………....40

Figure.III.9: moto-pompe…………………………………………………………...40

Figure. III.10: convertisseur (onduleur)…………………………………………….41

Figure.III.11: unité de contrôle et traitement………………………………………..42

Figure.III.12 : générateur photovoltaïque………………………………………...…42

Figure.III.13.: L’éclairement en fonction du temps sur l’intervalle……………...…43

Figure.III.14. : début en fonction du temps sur l’intervalle……………………...….44

Figure.III.16: courant en fonction du temps sur l’intervalle…………………...……45

Figure.III.17: L’éclairement en fonction du temps sur l’intervalle……………...….46

Figure.III.18 : début en fonction du temps sur l’intervalle……………………….....47

Figure.III.19: courant en fonction du temps sur l’intervalle…………………...……48

Figure.III.20: tension en fonction du temps sur l’intervalle…………………...……48

Annexe

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Annexe

Donnés du Module Solaire

Voc = 21 V

ICC = 3, 74 A

Vop = 17.2 V

Iop = 3.5 A

Pmax = 60.2 W

Ns=10

Np=2

α = 0.0

β = 0.4

Eg = 1.12 eV;

Caractéristique de Pompe centrifuge

Qn = 1.597 l/s ;

a0=28.5/314^2;

a1=-6.249/314 ;

a2=-10.430

Paramètres de canalisation:

Hg = 7.430m; kh=20; g =9,81m2/sec ; r=1000kg/m3;

Résumé

Résumé

L’énergie solaire photovoltaïque est de plus en plus utilisée pour opérer diverses

applications terrestres comme l’éclairage, la réfrigération et le pompage d’eau.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne la modélisation et simulation d'un système

solaire de pompage d’eau, et aussi une étude expérimentale sur site.

Ce système est constitué d’un ensemble d’éléments se trouvant en interaction ; à savoir les

panneaux photovoltaïques, l’onduleur de tension, le moteur synchrone à aimant permanent, la

pompe centrifuge et le circuit hydraulique.

Mots-clés :

Energie solaire, Photovoltaïque, Modélisation et Simulation, Maximum Power Point Tracking

(MPPT), Pompe centrifuge.

Abstract:

The use of solar in isolated sites for different applications, such as water pumping presents

many interests for third world countries which are in real need for drinking water. However

photovoltaic generators do have two main disadvantages namely:

High cost, bad efficiency.

The work presented in this memory is related to modification, simulation, control and

optimization of pumping solar systems.

The chain of this system is composed of photovoltaic panels, voltage inverter, permanent

magnet synchronous motor, centrifugal pump and a hydraulic circuit.

Keyword:

Energy Renewable, Photovoltaic Solar Energy, Pumping, Optimization

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Optimisation et dimensionnement d’un système solaire de