Énergie photovoltaïque et son impact sur la stabilité dans la distribution de l énergie électrique à Lubumbashi. Jean-Marie kalala

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1 Énergie photovoltaïque et son impact sur la stabilité dans la distribution de l énergie électrique à Lubumbashi Jean-Marie kalala Institut technique salama /lubumbashi Décembre 2015 Termes clés: Photovoltaïque, Distribution de l énergie électrique, Stabilité d un réseau électrique Introduction Actuellement l électricité apparait à côté de l eau comme une donnée de vie.en effet le développement de la technologie et automatisation exige une part très importante de l énergie électrique. Dans les chaines de production et les process, une coupure d électricité de deux petites minutes entraine des pertes considérables en termes d argent. La dépendance de l homme face au courant électrique fait que ce dernier ne peut plus vivre correctement sans ce dernier. La RDC est dotée d abondantes ressources dont la consommation est parmi les plus faibles du monde. Le potentiel hydro-électrique peut couvrir tout le continent africain bien que la puissance installée est inférieure à 10 % du potentiel total. Compte tenu de la dégradation du secteur de l énergie électrique (délestage, coupure intempestive, creux de tension, ), la population est obligée de recourir à des moyens particuliers et adaptés aux besoins primaires domestiques. Vu la dépendance de l homme face à l électricité, il est vraiment impératif de rechercher des solutions de remédiation par rapport aux conditions sur terrain. C est ici que l énergie photovoltaïque trouve sa place. Elle s impose comme une source de secours n exigeant pas trop de conditions d implantation et en plus comme une forme d énergie renouvelable. Dans cet article, nous aborderons les points ci-après : La structure des cellules solaires Choix des panneaux solaires Dimensionnement des installations solaires Stabilité d un réseau électrique Apport face à la vie courante

2 1. Principe de l Énergie photovoltaïque Source de l énergie L'éclairement ou irradiance est défini comme une puissance reçue par une surface. Il s'exprime en W/m 2 (watt par mètre carré). Le soleil décharge continuellement une énorme quantité d'énergie radiante dans le système solaire, la terre intercepte une toute petite partie de l énergie solaire rayonnée dans l espace. Une moyenne de 1367 watts atteint chaque mètre carré du bord externe de l'atmosphère terrestre (pour une distance moyenne Terre-soleil de 150 Millions de km), c est ce que l on appelle la constante solaire égale à 1367W/m². L irradiation solaire dépend : - de l orientation et l inclinaison de la surface, - de la latitude du lieu et son degré de pollution, - de la période de l année, - de l instant considéré dans la journée, - de la nature des couches nuageuses. Figure 1 : répartition du rayonnement solaire

3 Structure de l atome Figure 2 : structure de l atome Classification des corps Conducteur ex: le cuivre, le fer, Isolant ex: le papier, le plastique, Les semi-conducteurs ex: le silicium, le germanium, NOTION DE BANDE D ENERGIE Les électrons situés sur la couche la plus éloignée du noyau, qui participent aux liaisons covalentes peuvent, sous l effet de l agitation thermique, devenir porteur de charge. Le diagramme énergétique est constitué de deux bandes (conduction et valence) séparé par une bande interdite. Pour franchir cette bande l électron doit acquérir de l énergie (thermique, photon, ) Mais le nombre d électrons libres dans un semi-conducteur intrinsèque reste très faible. Ici le nombre de trou et d électron est égal. bande de valence : électrons impliqués dans les liaisons covalentes (cohésion de la matière) bande de conduction : électrons impliqués dans la conduction entre les deux : bande interdite (gap optique) qui peut être franchie par un apport d énergie (thermique, photon, etc )

4 Figure 3 : notions de bande d énergie Historique des Cellules photovoltaïques 1839 : utilisation de l ensoleillement pour produire du courant électrique dans un matériau solide : Les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l espace : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de km Les semi-conducteurs extrinsèques Figure 4 : disposition des éléments sur le tableau périodique Pour augmenter la conductivité des semi-conducteurs on y introduit des impuretés. Ce procédé est appelé dopage.

5 Dopage de type N : Figure 5 :dopage par ajout du phosphore On remplace un atome de silicium par un atome pentavalent. Quatre d entre eux assurent les liaisons avec les atomes voisins de silicium et le cinquième resté disponible va être excité vers la bande de conduction très facilement par l agitation thermique. D où le nombre d électron libre qui va fortement augmenter : dans ce cas le nombre de trou est très inférieur au nombre d électron libre. On obtient ainsi un cristal dopé N (négatif) Dopage de type P De la même façon on introduit des atomes trivalents, ses trois électrons vont assurer les liaisons covalentes avec trois atomes voisins mais laisser un trou au quatrième. Ce trou se déplace de proche en proche dans le cristal pour créer un courant. Ici le nombre de trous est très supérieur au nombre d électrons libres du cristal intrinsèque, on obtient donc un cristal dopé P (positif), les impuretés utilisées sont souvent du Bore. Figure 6 :dopage par ajout du bore La jonction PN Une jonction PN est l accolement d une région dopé P et d une région dopée N. Lors de cet assemblage les porteurs de charges libres s attirent et se recombinent dans la zone de jonction où les porteurs libres disparaissent : c est la zone de transition.

6 Figure 7 : phénomène de diffusion Figure 8 : transfert du courant à la charge Principe de la cellule solaire Figure 9 : description d une cellule solaire

7 Figure 10 : association des cellules c est l intensité I du panneau, variant en fonction de l ensoleillement, qui va déterminer l énergie électrique. 2. Capteurs photovoltaïques Cellule monocristalline Caractéristiques de base Couleur bleu uniforme Coût de fabrication élevé Rendement de 14 à 20% Durée de vie 30 ans

8 Cellule poly cristalline Caractéristiques de base Couleurs bleues non uniformes Meilleur marché que les cellules monocristallines Rendement de 11 à 15% Durée de vie 30 ans Cellule amorphe Caractéristiques de base Faible rendement 5 à 9% Peu sensible à la température Utilisable en panneau souple Durée de vie 20 ans 3. installation photovoltaïque Figure 11 : installation d un système solaire

9 Figure 12 : installation solaire avec compteur d énergie Rôle des composants du système Les panneaux photovoltaïques produisent un courant électrique continu. Le régulateur optimise la charge et la décharge de la batterie suivant sa capacité et assure sa protection. L onduleur transforme le courant continu en alternatif pour alimenter les récepteur AC. Les batteries sont chargées de jour pour pouvoir alimenter la nuit ou les jours de mauvais temps. Des récepteurs DC spécifiques sont utilisables. Ces appareils sont particulièrement économes. Critères de choix d un onduleur la puissance maximale, la tension maximale, la plage de tension d entrée, la fréquence nominale 4. principe de dimensionnement d une centrale photovoltaïque en site isolé Estimation des besoins journaliers en électricité (en Wh/j) : Etablir un bilan énergétique des appareils à alimenter Estimation de la capacité de stockage requise (en Ah) en fonction de l autonomie désirée : On détermine une durée d autonomie des batteries afin d alimenter les récepteurs sans l aide des modules photovoltaïques: nombre de jours d autonomie ( j). On fixe un degré de décharge des batteries à ne pas dépasser. (50 à 70%) Estimation de l irradiation journalière (en Wh/j/m²)

10 En moyenne 4h à Lubumbashi (zone tropicale) Détermination de la puissance crête Pc Estimation du champ PV Puissance du panneau et son encombrement 5. Stabilité d un réseau de distribution Conditions de stabilité Continuité de service 24heures sur 24heures Sécurité assurée Matériels (incendie) et personne (électrocution) Niveau de tension acceptable Chute de tension variant entre 6à 8% ex: pour 220V,la plus petite tension serait de 202V Problèmes liés à la distribution de l énergie électrique Creux de tension Certains récepteurs peuvent être endommagés suite aux fluctuations. Chute de tension Difficulté de fonctionnement de certaines charges Coupure Détériorations de certains produits alimentaires Charges polluantes Fours à arc, postes de soudure, moulin en milieu résidentiel, lampes économiques, surcharge Cause des coupures coupure programmé Délestage sans fin Transfo mal dimensionné (la charge non maitrisée) En 2013:plus de 20 transfos brulés à Lubumbashi Production insuffisante (centrale électrique) Groupes turbine-alternateur en panne à mwadingusha, koni et Inga Mauvaise gestion de l utilisateur Lampes de 100W allumées 24H/24h Disjoncteur mal calibré (Incompatible à la puissance du transfo) Réseau mal entretenu (sécurité)

11 Section des conducteurs, liaisons des conducteurs, raccordements frauduleux 6. Apport de l énergie photovoltaïque Systèmes isolés Toiture solaire au centre commercial de lubumbashi La ville redevient calme et alimentée car la consommation en centre commercial est moindre. Champ solaire pour station de pompage dans les parcelles Pas de dépendance avec la SNEL Eclairage publique (déjà effectif) mais à pourvoir en chaque coin de la ville Diminution de l insécurité Eclairage des centres d apprentissage (école, auditoire, ) Garantir la sécurité de la vue (lecture et écriture en permanence) Système de secours Petite unité de production Bureautique, take away, boucherie,

12 Centre hospitalier Salle d opération et de réanimation Station de télécommunication Diminution de la pollution sonore et des problèmes d entretien Utilisation domestique Diminution du stress (au moment du coup d envoi du match MAZEMBE VS VITA, il y a coupure) Etude pour les élèves et étudiants (possibilité d avoir une lumière saine et adaptée) Conclusion Lubumbashi connait des sérieux problèmes en matière d énergie électrique suite à la démographie, à la diminution de la production, à la cartographie compliquée et enfin à la mauvaise gestion du secteur. Solution ordinaire Les abonnés payent généralement: des lampes à LED qui nécessitent l usage des piles. Soit près de 84piles/mois pour 5pièces à éclairer Des bougies (risques d incendie) Solution envisageable Cette solution proposée n est pas unique mais elle se présente comme une proposition dont le prix peut varier selon la qualité des équipements utilisés. Pour 10 points lumineux soit 4WX10 + TV Une batterie de 80Ah/12V 180$ Un panneau de 150W /12V 280$ Un régulateur de 12V/20A 65$ Un onduleur de 600W 70$ Total:595$ Une certaine autonomie est garantie pour bonne soirée en famille. NB. Plus le prix des panneaux solaires baisse plus l énergie devient compétitive.

13 Bibliographie 1. Mbayo mutumba, énergie photovoltaïque en milieu urbain, travail de cycle, G3 électromécanique ISTA/lubumbashi Mukonga kambili, dimensionnement d un système solaire pour poste de télécommunication, travail de cycle, G3 électromécanique ISTA/lubumbashi : solargie 4. : Extraits du guide des Energies Renouvelables : 6. : Centre d'information sur l'énergie et l'environnement :

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