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REPUPLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIREMINISTRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE LARBI BEN M’HIDIOUM-EL-BOUAGHI
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIQUESAIN BEIDA
DEPARTEMENT D’ELECTROTECHNIQUE
MÉ MOIRE DE FIN D’É TUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLOME MASTER ENELECTROTECHNIQUE-ELECTRONIQUE -AUTOMATIQUE
THEME
Modélisation d'un système
énergétique hybride
(Photovoltaïque + Batterie)
Proposé et dirigé : Présenté par :
elleM KEBAILI Salima FADLOUN Fadila
BELKADI Nawel
PRMOTION JUIN 2009/2010
Tout d’abord, nous remercions Allah de nous avoir donné la force physique et morale pour accomplir ce travail.
Nous remercions notre encadreur :
Melle Salima Kebaili
Nous remercions également nos professeurs qui nous enseignent durant les 4 ans et tous les profs d’institut
Electrotechnique.
S o m m a i r e
Introduction générale ...................................................................................................... 01
Chapitre I : Description d’un système d’énergie hybride
Introduction ....................................................................................................................... 03
I. Systèmes hybrides .......................................................................................................... 03
II. Différentes combinaison des systèmes hybrides .......................................................... 04
II.1.Système hybride photovoltaïque –éolien-diesel................................................. 04
II.2 Système hybride photovoltaïque-batterie et piles à combustible ....................... 05
II.3. Système hybride photovoltaïque –éolien .......................................................... 05
III. Différent types d’instalation des panneaux PV............................................................ 06
IV. Avantage et inconvénient d’un système hybride ........................................................ 07
Conclusion ......................................................................................................................... 08
Chapitre II : Modélisation d’un système hybride
Introduction ....................................................................................................................... 10
I. Structure de la chaîne de production de l’énergie PV .................................................... 10
II. Description des éléments d’un système hybride ........................................................... 10
II.1.Cellule photovoltaïque ...................................................................................... 11
II.2 Modelisation d’une cellule photovolatique ..................................................... 13
II.3 Groupement des cellules photovoltaïques ......................................................... 16
II.4 Influence de la variation des conditions atmosphérique ................................... 18
III. Modélisation des convertisseurs statiques .................................................................. 18
III.1 Modélisation d’un convertisseur DC-DC ........................................................ 18
III.2 Principe de fonctionnement .............................................................................. 19
V. Batterie d'accumulateurs .............................................................................................. 21
V.1 Caractéristiques électriques d’une batterie à plomb ......................................... 21
V.2 Schéma électrique d’une batterie ...................................................................... 22
V.3 Mode de fonctionnement d'une batterie ............................................................ 23
IV Chargeur d’une batterie ................................................................................................ 23
Conclusion ......................................................................................................................... 23
Chapitre III : Résultats &Simulation
Introduction........................................................................................................................ 25
I. Simulation d’un panneau photovoltaïque ....................................................................... 25
I.1 Caractéristique d’un panneau photovoltaïque ..................................................... 25
I.2 Influence de la variation des conditions métrologiques ...................................... 27
I.3 Association des cellules....................................................................................... 31
II. Simulation d’une batterie ............................................................................................. 34
II.1 Alimentation à courant constant......................................................................... 34
II.2 Alimentation à courant variable ........................................................................ 36
Conclusion ........................................................................................................................ 37
Conclusion générale ......................................................................................................... 39
Bibliographie
Introduction Générale
1
Introduction Générale
La consommation mondiale d’énergie ne cesse de croitre, posant des questions
cruciales sur le problème du réchauffement de la planète dû aux gaz à effet de serre
d’une part et sur l’épuisement des ressources fossiles d’une autre part. Suite à cette
prise de conscience, un développement économique respectueux de l’environnement
s’avère absolument nécessaire. En vu du rendre l’approvisionnement en électricité
plus écologique, de nouvelles sources d’énergies dites ‘’ énergie renouvelable’’ ont
émergé. Parmi ces énergies, on peut citer le photovoltaïque, l’éolienne…etc. Elles
sont disponibles en quantité supérieure aux besoins énergétiques actuels de
l’humanité et représentent par ailleurs une chance pour les régions isolées d’accéder à
l’électricité.
L’utilisation des sources d’énergie renouvelable induit le concept de stockage
d’électricité en raison de la disponibilité intermittente de telles ressources. Donc, la
combinaison des ces sources pour avoir un système d’énergie hybride peut constituer
une bonne alternative aux systéme mono-sources.
Le but poursuivi dans le cadre de ce mémoire est de faire une modélisation de
chaque composant constituant le systéme d’énergie hybride. Pour cela, le présent
travail sera structuré comme suit :
Dans le premier chapitre nous présenterons un petit aperçu sur les systèmes
hybrides de production d’énergie électrique. Notre travail portant sur la modélisation
d’un systéme hybride (photovoltaïque-batterie) qui se prête le mieux à une production
d’électricité en site isolé, qui est l’objet du second chapitre. Enfin, le dernier chapitre
présente l’ensemble des résultats de simulation obtenus au cours de cette étude. Dans
ce chapitre, on expose uniquement les résultats de simulation du panneau
photovoltaïque (source de production) et l’élément de stockage (batterie à plomb).
Chapitre I Description d’un système d’énergie hybride
3
Introduction
L’électricité est aujourd’hui la forme d’énergie la plus aisée à exploiter. Un
recours systématique aux carburants fossiles, tels que le pétrole, le charbon et le gaz
naturel pour les plus répandus, permet d’avoir des couts de production faibles mais
conduit à un dégagement massif de gaz polluant .En vue de rendre
l’approvisionnement en électricité plus écologique, de nouvelles sources dites
énergies renouvelables ont émergé. Les énergies renouvelables regroupent un certain
nombre de filières technologique selon la source d’énergie valorisé et l’énergie utile
obtenu .La filière utilisé dans notre travail est l’énergie solaire.
La combinaison de plusieurs sources d’énergies renouvelables permet
d’optimiser au maximum les systèmes de production d’électricité, aussi bien du point
de vu technique qu’économique. L’avantage d’un système hybride par rapport à un
système éolien pur ou photovoltaïque pur, dépend de beaucoup de facteurs
fondamentaux tel que, la forme, le type de la charge, le régime du vent, le
rayonnement solaire, le coût et la disponibilité de l’énergie, le coût relatif de la
machine éolienne, le champ photovoltaïque, le système de stockage électrochimique
et d’autres facteurs d’efficacité.
I. Systèmes hybrides
Les systèmes d’énergie hybrides (SEH) associent au moins deux sources
d’énergie renouvelable aussi une ou plusieurs sources d’énergie classiques. Les
sources d’énergie renouvelable, comme l’éolienne et le photovoltaïque, qui sont les
plus utilisés parmi les différents types des technologies des ressources renouvelables,
ne délivrent pas une puissance constante. Leur association avec des sources classiques
permet d’obtenir une production électrique continue. Les systèmes d’énergie hybrides
sont généralement autonomes par rapport aux grands réseaux interconnectés et sont
souvent utilisés dans les régions isolées. En plus des sources d’énergie, un système
hybride peut aussi incorporer des convertisseurs, des charges et des éléments de
stockage comme montre la figure1.1 [5].
Chapitre I Description d’un système d’énergie hybride
4
Figure 1.1 Schéma synoptique du système hybride.
II. Différentes combinaison des systèmes hybrides
Il existe plusieurs combinaisons de systèmes hybrides, parmi lesquelles on
cite:
II.1.Système hybride photovoltaïque –éolien-diesel
Le système hybride rellie l’énergie photovoltaïque et/ou éolienne à celle
d’autres sources. En règle générale, il comporte l’éolienne ainsi qu’un groupe
électrogène d’appoint au diesel, au propane ou à l’essence. Un tel système peut
convenir dans le cas d’une résidence ou d’un immeuble commercial non connecté à
un réseau de distribution. La plupart des systèmes hybrides comportent une batterie
d’accumulateurs comme est illustré par la figure 1.2 [1]
Chapitre I Description d’un système d’énergie hybride
5
Figure 1.2 Système hybride photovoltaïque-éolien-diesel.
II.2 Système hybride photovoltaïque-batterie et piles à combustible
Le générateur diesel dans ce système est remplacé par un système de pile à
combustible. La figure1.3 représente un système hybride constituer par deux éléments
de stockages pile à combustible et batterie [2,3].
Figure 1.3 Système hybride photovoltaïque-batterie et pile à combustible
II.3. Système hybride photovoltaïque –éolien
L’optimisation de l’énergie éolienne et photovoltaïque avec un stockage
électrochimique dépend beaucoup des modèles économiques de chaque système pris
séparément. Cette configuration est constituer par deux sources d’énergie
complémentaire (photovoltaïque et l’éolienne) avec une batterie de stockage.
Chapitre I Description d’un système d’énergie hybride
6
Figure 1.4 Système hybride photovoltaïque –éolien –diesel
III. Différent types d’instalation des panneaux PV
On distingue deux types d’installations :
Systèmes non-autonomes ’grid connected’ qui sont rattachées au réseau de
distribution électrique. Dans les systèmes relier aux réseaux, les
consommateurs standard de puissance alternative sont connectés au générateur
via un onduleur parfois bidirectionnel (redresseur/onduleur). Le surplus
d’énergie du générateur photovoltaïque est injecté au réseau public et les
demandes de puissance qui existent la capacité de production du générateur
sont attachées sur le réseau. La figure 1.5 explique cette configuration.
Systèmes autonomes ’stand-alone’, ces installations isolées ne sont pas
connectées au réseau, mais elles doivent assurer la couverture de la demande
de la charge en tout temps. La puissance à la sortie du générateur
photovoltaïque n’est pas suffisante pour satisfaire la demande de charge, aussi
l’autonomie du système est assurée par un système de stockage d’énergie.
Chapitre I Description d’un système d’énergie hybride
7
.
Acquisition de données Charges
Figure 1.5 Système raccordé au réseau.
IV Avantage et inconvénient d’un système hybride
Avantages
Non dépendant d’une seule source d’énergie.
Le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un
montage simple et adaptable aux divers besoins énergétiques, on peut
dimensionner les systèmes photovoltaïques pour des applications de puissances
très élevées.
Le fonctionnement d’une installation photovoltaïque ne demande ni
combustible et ni transport ce qui rend le coût de fonctionnement très faibles.
La technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan
écologique car le produit est fini est non polluant, silencieux et n'entraîne aucune
perturbation du milieu.
Inconvénients
La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie
et requiert un coût élevé.
Le rendement réel de conversion d'un module est faible.
Chapitre I Description d’un système d’énergie hybride
8
Conclusion
Nous avons présenté dans ce chapitre les différentes notions qui entrent dans la
constitution d’un système hybride, ce qui permet de faire la modélisation et l’analyse
de ce système, qui est l’objectif du deuxième chapitre.
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
10
Introduction
Le but d’un système d’énergie hybride est de produire le maximum
d’énergie à partir des sources d’énergie renouvelable pour satisfaire la demande de la
charge. Le stockage d'énergie présente un grand intérêt stratégique et économique dans les
conditions du marché libéralisé d'électricité, parce qu'il contribue à la capacité de satisfaire
les besoins énergétiques en temps réel et aussi à prévenir les coupures dans
l'approvisionnement. Les batteries sont habituellement utilisées pour le stockage d’énergie.
I. Structure de la chaîne de production de l’énergie PV
Le système hybride de production d’énergie, de façon générale, est celui qui
combine et exploite plusieurs sources disponibles facilement mobilisables. Le système
étudié est illustré par la figure 2.1
Figure 2.1 Schéma synoptique de système PV- batterie.
II. Description des éléments d’un système hybride
Dans ce chapitre, nous présenterons la modélisation de chaque composant du
système hybride étudié.
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
11
II.1.Cellule photovoltaïque
Les cellules photovoltaïques sont des composants optoélectroniques qui
transforment directement la lumière solaire en électricité par un processus appelé ‘effet
photovoltaïque’, a été découverte par E. Becquerel en 1839. Elles sont réalisées à l'aide de
matériaux semi-conducteurs, c'est à dire ayant des propriétés intermédiaires entre les
conducteurs et les isolants.
La structure la plus simple d’une cellule photovoltaïque comporte une jonction entre
deux zones dopées différemment du même matériau (homo jonction) ou entre deux
matériaux différents (hétérojonction). Le but de la structure photovoltaïque, c’est de créer
un champ électrique interne.
II.1.2 Différents types des cellules
Ils existent trois types de silicium : mono cristallin, poly cristallin et amorphe.
Cellule au silicium mono-cristallin : Pour ce genre d’application
technologique, le silicium pur est obtenu à partir de quartz ou de sable par
transformation chimique métallurgique. le silicium a un rendement
électrique et une durée de vie de l’ordre de deux fois du silicium amorphe
mais sont nettement plus chers.
Cellule au silicium poly-cristallin : Le silicium poly –cristallin est un
matériau composé de cristaux juxtaposés obtenus par moulage. Ce matériau
est moins coûteux (que pour les photopiles cristallines). Les cellules carrées
ou rectangulaires sont faciles à utiliser.
Cellule au silicium amorphe : Le silicium absorbe le rayonnement solaire
jusqu'à 100 fois mieux qu’en état cristallin, les cellules sont constituées par
des couches très minces.
I.1.3 Principe de fonctionnement de la cellule PV
La cellule solaire à semi-conducteur est un dispositif permettant de débiter un
courant électrique dans une charge externe lorsque celui-ci est exposé à la lumière. Lorsque
la cellule est exposée au rayonnement solaire, les photons d'énergie pénétrant dans la
cellule solaire transmettent leur énergie aux atomes de la jonction. Si cette énergie est
suffisamment élevée, elle peut faire passer les électrons de la bande de valence à la bande
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
12
de conduction du matériau semi-conducteur et créer ainsi des paires «électron- trou». Les
électrons Négative (charges N) et les trous Positive (charges P), sont alors maintenus
séparés par un champ électrique qui constitue une barrière de potentiel. Si une charge est
placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone N rejoignent les trous de la zone P
via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel et un courant
électrique circule comme illustre la figure 2.2 [4].
Figure 2.2 Principe de fonctionnement d’une cellule PV
II.1.4 Panneau solaire
Le panneau solaire compose de modules photovoltaïques interconnectés en série
et/ou en parallèle afin de produire la puissance requise comme montre la figure 2.3. Ces
modules sont montés sur une armature métallique qui permet de supporter le champ solaire
avec un angle d’inclinaison spécifique.
Figure 2.3 Photographie d’un panneau PV.
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
13
II.1.5 Générateur photovoltaïque
Pour produire plus de puissance, les panneaux solaires sont assemblés pour
former un générateur photovoltaïque. Les connections en série de plusieurs panneaux
augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le
courant en conservant la tension. La figure 2.4 représente un générateur photovoltaïque.
Figure 2.4 Générateur photovoltaïque
II.2 Modelisation d’une cellule photovolatique
Le modèle à une diode est actuellement le plus utilisé en raison de sa simplicité. Il
permet d’exprimer l’intensité d’un module PV en fonction de la tension à ses bornes et des
conditions climatiques (éclairement et température ambiante). Le modèle d’une cellule est
celui de la figure ci-dessous :
Figure 2.5 Schéma electrique equivalent d’une cellule
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
14
L’intensité I en fonction de la tension V aux bornes d’une cellule est :
)1.2( R
IRVIII
sh
SDph
Le courant de polarisation de la jonction PN, ID, est exprimé par l’expression:
)2.2(1T.K.A
IRVqexpII s
sD
Où :
Rs :Resistance serie,Ω
Is :Courant de saturation de diode, A
q :charge de l’electron=1.6.10-19 C.
A :facteur de qualité de la cellule.
K :constant de boltzmanne=1.38*10-23J/K.
T :temperature de fonctionement en Kelvin.
Comme la résistance shunt, Rsh,est beaucoup plus élevée que la résistance série.
Donc l’équation(2.1) devient :
Dph III (2.3)
II.2.1 Caractéristique courant- tension d’une cellule PV
La caractéristique courant-tension d’une cellule photovoltaique donnée pour un
éclairement et température donnée. La figure 2.6 représente les trois zones essentielles:
La zone (1): où le courant reste constant quelle que soit la tension, pour cette région,
le générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant.
La zone (2): correspondant au coude de la caractéristique, la région intermédiaire
entre les deux zones précédentes, représente la région préférée pour le fonctionnement du
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
15
générateur, où le point optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être
déterminé.
La zone (3): qui se distingue par une variation de courant correspondant à une
tension presque constante, dans ce cas le générateur est assimilable à un générateur de
tension [5].
Figure 2.6 Caractéristique courant-tension de la cellule
II.2.2 Caractéristique puissance- tension d’une cellule PV
Dans des conditions ambiantes de fonctionnement fixes (éclairement, température,
vitesse de circulation de l'air ambiant, etc..), la puissance fournie par la cellule est exprimée
par [7,9] :
I.VP (2.4)
La caractéristique puissance-tension de la cellule est représentée par la figure 2.7
Figure 2.7 Caractéristique puissance-tension de la cellule
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
16
Cette puissance est donc maximale au point définit par 0dV
dP soit :
0exp1exp
AKT
qV
AKT
qVRs
AKT
qVII sph (2.5)
Le courant maximal, I max, correspondant au maximum de puissance, est exprimer
par:
AKT
qVexp
KT
VqII maxmaxs
max (2.6)
II.3 Groupement des cellules photovoltaïques
On distingue trois types de groupement :
II.3.1 Groupement des cellules en série
Dans un groupement en série, la figure 2.8 montre que le courant débité par
les cellules est le même dans la branche tandis que la tension est multiplié par le nombre de
cellule en série.
Figure 2.8 Groupement des cellules en série
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
17
II.3.2. Groupement des cellules en parallèle
Dans un groupement des cellules connecté en parallèle, les cellules étant
soumises à la même tension, les intensités s’additionnent, la caractéristique résultante est
obtenue par la figure 2.9.
Figure 2.9 Groupement des cellules en parallèle
II.3.3 Groupement mixte des cellules
On utilise cette association lorsqu’on besoin l’augmentation du courant et de
la tension en même temps. Cette configuration représente un générateur photovoltaïque
comme est illustrée par la figure 2.10.
Figure 2.10 Groupement mixte des cellules
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
18
II.4 Influence de la variation des conditions atmosphérique
Plusieurs paramétres sont influent sur les caractéristiques courant-tension et
puissance –tension, tels que la température , eclairement et la résistance série. Dans le
chapitre suivant on prouve par résultat de simulation cette influence .
III. Modélisation des convertisseurs statiques
Un convertisseur d’énergie est un équipement que l’on dispose généralement soit
entre le champ PV et la charge. Selon la nature de charge (continue ou alternative), on
distingue deux types de convertisseurs.
Convertisseur continu continu
Convertisseur continu alternatif
Dans notre travail on limitera notre étude au convertisseur continu- continu.
III.1 Modélisation d’un convertisseur DC-DC
Le convertisseur DC-DC est un convertisseur de courant (ou de tension) continu,
statique, qui permet d'obtenir à partir d'une source de courant (ou de tension) continu de
valeur fixe une tension continûment variable. Dans notre application on utilise un
convertisseur de type abaisseur –élévateur (Cuk). La modélisation de ce dernier exige
certains hypothèses à proposer :
Tous les composants sont parfaits (sans pertes).
L’étude se fait sur le régime permanant.
La capacité du condensateur de sortie sera supposée suffisamment grande pour que
la tension à ses bornes puisse être considérée comme constante au cours de la
période.
Conduction continue
Un convertisseur est constitué de deux inductances, de deux condensateurs, d'un
interrupteur (généralement un transistor) et d'une diode. Le schéma de base d'un
convertisseur Cuk est représenté dans la figure 2.11 [6]
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
19
Figure 2.11 Schéma de base d'un convertisseur Cuk.
III.2 Principe de fonctionnement
Le condensateur C est utilisé pour transférer l'énergie entre la source de tension
d'entrée (Vi) et celle de sortie (Vo). Pour cela, il est connecté alternativement à l'entrée ou à
la sortie du convertisseur grâce à l'interrupteur K et la diode D.
Les deux inductances L1 et L2 sont utilisées pour convertir respectivement la source
de tension d'entrée et la source de tension de sortie (Co) en sources de courant. En effet une
bobine peut être considérée, sur une courte période, comme une source de courant comme
elle maintient celui-ci constant. Ces conversions sont nécessaires afin de limiter le courant
lorsque l'on relie le condensateur C à une source de tension (Vo ou Vi) [6].
On distingue deux modes de fonctionnement :
1. Mode 1 : Etat ON (0<t<DT)
L'interrupteur K est fermé, la diode D est bloquée. Le schéma équivalent du circuit
est le suivant:
Figure 2.12 Circuit équivalent : Etat-on.
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
20
La tension du condensateur (C) rend la diode (D) polarisée en inverse et bloquée
Le condensateur (C) se décharge son énergie à la charge à travers la boucle formée par K,
Co, R et L2. La relation suivante est établie :
-IC =IL2 (2.7)
2. Mode 2 : Etat OFF (DT <t<T)
L’interrupteur K est ouvert et la diode D devient conductrice. Le schéma équivalent
du circuit est illustre sur la figure 2.13
Figure 2.13 Circuit équivalent : Etat off.
Le condensateur (C) devient chargé par l'entrée (Vs) à travers l'inductance (L1).
L’énergie stockée dans l’inductance (L2) est le transfert de la charge à travers la
boucle formé par la diode, Co et R.
Ainsi, la relation suivante est établie comme :
IC =IL1 (2.8)
Pour un fonctionnement périodique, le courant moyen condensateur est nul :
0TD1Ic.DTIcKoffkon
(2.9)
En utilisant l’équation (2.7) et (2.8), on obtient :
0D)T(1IDTI L1L2 (2.10)
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
21
Donc:
D1
D
I
I
2L
1L
(2.11)
Note que, D est le rapport cyclique et T est la période de commutation.
En supposant qu'il s'agit d'un convertisseur idéal, la puissance moyenne fournie par
la source doit être la même que la puissance moyenne absorbée par la charge :
Pin=Pout (2.12)
La combinaison de ces équations nous donne l’expression générale de la tension de
sortie:
D1
D
V
V
s
0
(2.13)
V. Batterie d'accumulateurs
Puisque la demande d’énergie dans les applications photovoltaïques ne coïncide pas
toujours avec sa production, il est donc nécessaire d’avoir un élément de stockage pour
stocker l’énergie produite. Cet élément est généralement constitué des batteries
d’accumulateurs électrochimiques et rechargeables, capables de stocker l’énergie électrique
sous forme chimique puis la restituer à chaque demande grâce à la réversibilité de la
transformation.
V.1 Caractéristiques électriques d’une batterie à plomb
Parmi les quelles on cite [8] :
Capacité standard d’un accumulateur
On appelle capacité d’un accumulateur au plomb la quantité d’électricité que celui-ci
restitue au cours d’une décharge complète précédée d’une charge complète. On entend par :
-Décharge complète, une décharge poursuivie jusqu’à ce que la tension aux
bornes de l’accumulateur atteigne une valeur définie en fonction du régime de décharge,
par exemple 80 % de sa valeur initiale.
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
22
-Charge complète, une charge lente (par exemple en 10 h) poursuivie jusqu’à
ce que la densité de l’électrolyte reste stable pendant au moins une heure.
La capacité s’exprime usuellement en ampères-heures (Ah).
Taux de charge/décharge
Le taux de charge ou de décharge est le rapport entre la capacité nominale de la
batterie et le temps de charge ou de décharge exprimé en heures.
Etat de charge
C’est le pourcentage de la quantité d’énergie disponible dans la batterie.
Tension nominale
Il s'agit de la tension type de la batterie.
Profondeur de décharge
C’est le pourcentage d’énergie maximum que l’on peut retirer d’une batterie. Elle
ne doit pas être déchargée au-delà de cette valeur afin de prolonger sa durée de vie
V.2 Schéma électrique d’une batterie
Le modèle simple d’une batterie est représenté par le schéma électrique suivant :
Figure 2.14 Schéma électrique d’une batterie.
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
23
L’équation la plus simple qui décrit la relation entre la tension de la batterie Vbat et
le courant de charge Ib est donnée par [9].
bat11bat IRVV (2.14)
Avec:
R1 : Résistance interne de la batterie.
V1: Tension à vide.
V.3 Mode de fonctionnement d’une batterie
On distingue de modes : charge et décharge
Mode de charge
ns*soc(t)*0.1482V1 (2.15)
m
1 soc
ns*soc(t)1.060.1309/0.758R
(2.16)
Mode de décharge
nssoc(t)0.1241.926V1 (2.17)
m
1 soc
ns0.14soc(t)0.1037/0.19R
(2.18)
Avec :
socm : valeur maximal de l’énergie de batterie.
Soc (t) : état de charge.
ns : nombre de 2V des cellule série .
IV Chargeur d’une batterie
Les batteries sont sollicitées dans une plage bornée d’états de charge par rapport à
toute énergie emmagasinée. En effet on doit assurer leur protection en évitant d’atteindre
trop fréquemment des états de charges extrêmes, en partie responsables du vieillissement
prématuré des batteries [10].
Chapitre II Modélisation d’un système hybride
24
Conclusion
Dans ce chapitre nous avons présenté la modélisation et les caractéristiques des
différents organes constituant notre système hybride.
Chapitre III Résultats &Simulation
25
Introduction
Dans ce chapitre sont exposés les résultats de simulation obtenus au cours de
cette étude. Les différentes parties du notre système hybride (panneau photovoltaïque,
convertisseur DC/DC, batteries et la charge) sont modélisées par des blocs séparés
sous l’environnement Matlab7.4. L’association des ces composants exige un plus du
temps, Pour cette raison, on montre uniquement la simulation du panneau
photovoltaïque (source de production) et l’élément de stockage (batterie à plomb).
I. Simulation d’un panneau photovoltaïque
Un panneau solaire de type BP SX150 dont les paramètres sont donnés par le
tableau III.1 suivant :
Paramètres Valeurs
Puissance maximale (Pmax) 150W
Courant au point Pmax 4.35A
Tension au point Pmax 34.5V
Courant de court-circuit 4.75A
Tension en circuit-ouvert 43.5V
Tableau III.1 Paramètres d’un panneau solaire BPSX150
Pour valider ce modèle nous l’avons simulé en utilisant le modèle
mathématique déjà décrit au chapitre précédent. Nous avons déterminé les
caractéristiques courant-tension et puissance –tension pour différents niveaux
d’éclairement et température.
I.1 Caractéristique d’un panneau photovoltaïque
Les figures III.1 et III.2 montrent les caractéristiques courant-tension et
puissance-tension d’une cellule photovoltaïque dans les conditions standard de
fonctionnement (G=1000w/m2 et T=250C)
Chapitre III Résultats &Simulation
26
Figure III.1 Caractéristique courant-tension d’une cellule
Figure III.2 Caractéristique puissance-tension d’une cellule
Chapitre III Résultats &Simulation
27
I.2 Influence de la variation des conditions métrologiques
Pour confronter un peu plus notre modèle à la réalité, il est nécessaire
d’étudier comment certains paramètres, tels que l’éclairement, la température et la
résistance série.
I.2.1 Influence de l’éclairement
Pour différent niveau d’éclairement, on remarque que la tension maximale
correspondant à la puissance maximale ne varie que très peu contrairement au courant
maximal qui augmente fortement avec l’éclairement. Les figures III.3 et III.4
montrent cette influence.
Figure III.3 Caractéristique courant-tension d’une cellule pour différent
éclairement
Chapitre III Résultats &Simulation
28
Figure III.4 Caractéristique puissance-tension d’une cellule pour différent
éclairement
I.2.2 Influence de température
Les figures III.5 et III.6 représentent l’évolution du courant, tension et
puissance en fonction de température, on remarque que lorsque la température
augmente, la tension, à vide diminue alors que le courant augmente. Par contre la
puissance fournie varie très légèrement.
Chapitre III Résultats &Simulation
29
Figure III.5 Caractéristique courant-tension d’une cellule pour une variation de
température
G=1000W/m2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
50
100
150
200
Tention (V)
Puis
sance (
W)
T=25deg
T=50deg
T=75deg
Figure III.6 Caractéristique puissance-tension d’une cellule pour une variation de
température
Chapitre III Résultats &Simulation
30
I.2.3 Influence de la résistance série
Les figures III.7 et III.8 montrent la variation de la résistance série qui influe
sur la pente de la caractéristique I-V et P-V
Figure III.7 Caractéristique courant-tension d’une cellule pour une variation de
résistance série
Figure III.8 Caractéristique puissance-tension d’une cellule pour une variation de
résistance série
Chapitre III Résultats &Simulation
31
I.3 Association des cellules
On examine trois types d’association possible :
Association des cellules en série afin d’augmenter la tension comme montre
les figures III.9 et III.10. Une association de plusieurs cellules donne un
module.
Figure III.9 Caractéristique I-V : Association des cellules en série
Figure III.10 Caractéristique P-V : Association des cellules en série
Chapitre III Résultats &Simulation
32
Association de cellules en parallèle pour augmenter les courants.
Figure III.11 Caractéristique I-V : Association des cellules en parallèle
Figure III.12 Caractéristique P-V : Association des cellules en parallèle
Association mixte : c’est une combinaison de deux types d’association
précédente (série et parallèle) et cela pour augmenter la tension et le courant
en même temps.
Chapitre III Résultats &Simulation
33
Figure III.13 Caractéristique I-V : Association des cellules mixte
Figure III.14 Caractéristique P-V : Association des cellules mixte
Chapitre III Résultats &Simulation
34
II. Simulation d’une batterie
Nous distinguons deux modes : charge et la décharge de la batterie pour une
alimentation à courant constant et courant variable.
II.1 Alimentation à courant constant
Cas de charge : On alimente la batterie par un courant positif, la tension de
charge et le signal de l’état de charge sont donnés par la figure III.15 et III.16,
on constate que l’état de charge augmente linéairement. Dés que la batterie est
chargée, la tension se stabilise pour un état de charge égale à 0.9
Figure III.15 Tension de charge d’une batterie
Figure III.16 Etat de charge d’une batterie
0 500 1000 15000.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Temps(min)
Etat
de
char
ge
0 500 1000 150011.5
12
12.5
13
13.5
Temps(min)
Tens
ion(
V)
Chapitre III Résultats &Simulation
35
0 500 1000 15000.2
0.4
0.6
0.8
1
Temps(min)
Eta
t de
cha
rge
Cas de décharge : Les figures III.17 et III.18 montrent que durant la décharge
d’une batterie, la tension et le signal de l’état de charge diminue jusqu’au
atteint une valeur minimale.
Figure III.17 Tension de charge d’une batterie
Figure III.18 Etat de charge d’une batterie
II.2 Alimentation à courant variable
0 500 1000 150011.7
11.8
11.9
12
12.1
12.2
12.3
Temps(min)
Tens
ion(
V)
Chapitre III Résultats &Simulation
36
Afin de valider notre modèle de simulation de batterie, on alimente la batterie
par un courant variable. La tension de batterie et le signal de l’état de charge sont
illustrés par la figure III.19 et III.20. On remarque que la tension balance entre les
deux modes : elle augmente pour le cas de charge de la batterie et diminue pour le cas
contraire.
0 500 1000 150012
12.2
12.4
12.6
12.8
13
Temps(min)
Te
nsio
n(V
)
Figure III.19. Variation de la tension de batterie
0 500 1000 1500
0.8
0.85
0.9
Temps (min)
Eta
t de
cha
rge
Figure III.20. Variation de l’état de charge
Conclusion
Chapitre III Résultats &Simulation
37
Dans ce chapitre, nous avons simulé notre modèle du panneau photovoltaïque
ainsi que les différents modes de charge et de décharge de la batterie pour une
alimentation à courant constant et variable.
Conclusion Générale
38
Conclusion Générale
L’objectif de ce travail était l’étude de la modélisation d’un système hybride
(photovoltaïque –batterie). La modélisation des différents composants a été réalisée.
Les résultats obtenus ont permis de montrer une bonne simulation concernant le
panneau photovoltaïque ainsi que l’élément de stockage. L’association de ces
composants pour former le modèle complet exige beaucoup du temps et une étude
technico-économique du système hybride.
Dans le premier chapitre,on a présenté un petit aperçu sur les systèmes
hybrides de production d’énergie électrique et les différentes combinaisons que les
constitut ,ensuite on a introduire une modélisation d’un système hybride
(Photovoltaïque – batterie) pour la production de l’énergie en site isolé dans le
deuxième chapitre, enfin on a présenté une simulation de notre système hybride
basant sur la modélisation d’un panneau photovoltaïque et sur le modèle de batterie
au plomb pour obtenu les résultat de simulation.
[1] T. Rekioua , M.T. Irid et Z. Roumila," Dimensionnement d’une centrale hybride
photovoltaïque – éolienne – diesel ", Département d’Electrotechnique ,Revue des
Energies Renouvelables Oujda ,2007.
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Dimensionnement, modélisation et simulation", journée Technique Energie
Problématique et méthodologies .
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Département de l’Energie Electrique, Ecole Polytechnique de Montréal, Canada
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[4] Zaamta Souad " Réalisation d'un régulateur solaire à base de microcontrôleur pour
le contrôle de l'état de charge et la protection des accumulateurs", Mémoire de
Magister en Electrotechnique, Université D’oum El Bouaghi, 2008.
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puissance d’un générateur Photovoltaïque ", mémoire d’ingénieur en
électrotechnique, Université D’oum El Bouaghi 2009.
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Electrotechnique, Université D’oum El Bouaghi, 2008.
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