Université Libanaise Faculté de Génie II. Projet de Fin d Etudes. Diplôme d Ingénieur Electrique. Elsy MANSOUR

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1 Université Libanaise Faculté de Génie II Projet de Fin d Etudes présenté en vue de l obtention du Diplôme d Ingénieur Electrique par Elsy MANSOUR Modélisation des panneaux photovoltaïques sur compact rio Responsable de projet : Dr Georges SALLOUM 2012

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3 REMERCIEMENTS Tout d abord et avant tout, je remercie DIEU de m avoir donné la patience de faire mon expérience à la fois enrichissante et gratifiante. Mes vifs remerciements s'adressent ensuite aux enseignants académiques de l'université Libanaise de génie II Roumieh qui nous ont enseigné et qui par leurs compétences nous ont soutenu dans la poursuite de nos études Je remercie le professeur Rafic YOUNIS, Doyen de la faculté de génie, le professeur Zeinab SAAD, Doyen de l Ecole Doctorale à l Université Libanaise, le professeur Marlène KORDAHI, Directrice de la faculté de génie II à l Université Libanaise. Un merci est adressé aussi au Professeur Clovis FRANCIS, Coordinateur du programme de Master contrôle industriel et au Professeur Gilles BALLOUZ, Chef du Département de génie électrique et électronique. Je présente toute ma gratitude à l encadrant de mon projet, Dr. Georges SALLOUM, pour m avoir aidée à faire le bon choix du projet.je le remercie de même pour avoir été toujours là pour moi dès le début du projet en m aidant dans la documentation, jusqu aux moments difficiles que j ai rencontrés durant la réalisation, pour ses conseils et sa compréhension et pour ses encouragements. Je le remercie de même pour la confiance qu il m a accordée en me donnant le plein accès au matériel. Je remercie aussi Monsieur. Marc DAOUD, de m avoir consacré son temps, pour son encouragement et ses conseils qui ont été très utiles, pour la réalisation de mon projet. Je saisis cette occasion pour remercier les membres de jury pour m avoir accompagnée tout au long de cette journée. A mes parents et ma famille qui m ont soutenue durant toute la période d étude et qui m ont tellement encouragée, un grand remerciement. 3

4 TABLE DES MATIERS REMERCIEMENTS... 3 LISTE DES FIGURES... 6 INTRODUCTION GENERALE... 8 CHAPITRE I :ETUDE ET PRESENTATION D UN GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE... 9 I- Introduction II- La cellule photovoltaïque ) Définition ) Structure d'une cellule photovoltaïque ) Principe de fonctionnement de la cellule photovoltaïque III- Modèle de la cellule photovoltaïque ) Modèle d une cellule à une seule diode ) Paramètres de la cellule photovoltaïque a-) Rendement de la cellule` b-) Facteur de forme, FF IV- Spécification du générateur photovoltaïque V- Point de fonctionnement d'un panneau photovoltaïque VI- caractérisations électriques du générateur photovoltaïque en tenant compte des caractéristiques du fournisseur )Ensemble de paramètres )Schéma bloc de la modélisation du GPV VII- Influence des paramètres internes et externes sur la caractéristique de panneau photovoltaïque 22 a-)paramètres externes a.1)étude de la caractéristique du panneau PV en fonction de l irradiation solaire a.2) Étude de la caractéristique du panneau PV en fonction de la température ambiante b-) Paramètres internes b.1-) Variation de la résistance série de la cellule en fonction de l irradiation et de la température ambiante b.2) Étude des caractéristiques du panneau PV en fonction de la résistance série C- Simulation des conditions optimales du panneau STP180S-24/Ad

5 VIII- Comparaison du modèle étudié avec le modèle donné par le constructeur IX- Conclusion CHAPITRE II :MODELISATION DU PANNEAU PHOTOVOLTAIQUE SUR COMPACT RIO I- Introduction II- Composants du Compact Rio Le châssis Le contrôleur Les modules d Entrée/Sortie III- Réalisation IV- Résultats et discussions V- Conclusion CONCLUSION GENERALE REFERENCES

6 LISTE DES FIGURES Figure 1: Représentation d une cellule photovoltaïque Figure 2: Structure équivalente d une cellule photovoltaïque Figure 3: la jonction pn Figure 4: Fonctionnement d une cellule photovoltaïque Figure 5: Photo d un panneau photovoltaïque Figure 6: Schéma électrique équivalent d une cellule photovoltaïque Figure 7: Schéma bloc du Générateur Photovoltaïque Figure 8:Connexions mixtes des modules photovoltaïques sur la caractéristique I(V) Figure 9: Facteur de forme Figure 10: Spécification d une cellule photovoltaïque Figure 11: Schéma bloc d un panneau photovoltaïque sous matlab/simulink Figure 12: Caractéristiques I(V) pour différentes irradiations solaires Figure 13: Caractéristiques P(V) pour différentes irradiations solaires Figure 14: Caractéristiques I(V) en fonction de la variation de la température ambiante Figure 15: Caractéristiques P(V) en fonction de la variation de la température ambiante Figure 16 : variation de la résistance série en fonction de la température ambiante Figure 17: variation de la résistance série en fonction de l irradiation solaire Figure 18: Caractéristiques I(V) en fonction de la variation de la résistance série Figure 19: Caractéristiques P(V) en fonction de la variation de la résistance série Figure 20: Simulation de la tension du panneau en fonction de l éclairement Figure 21: Simulation du courant du panneau en fonction de l éclairement Figure 22 : Simulation de la puissance maximale du panneau en fonction de l éclairement Figure 23: caractéristiques données par le constructeur Figure 24: Variation du rayonnement solaire et de la température ambiante Figure 25: La variation de la puissance PV d un module en fonction de temps Figure 26: Compact rio Figure 27: le châssis Figure 28:La topologie de la connexion Figure 29: Le contrôleur Figure 30: Modules d entrées /sorties Figure 31: Module NI Figure 32 : Architecture du projet sous compact rio Figure 33: signaux d entrées Figure 34: Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau photovoltaïque pour w=1000w/m 2 et Ta =25 C

7 Figure 35 : w=800w/m Figure 36 : Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau solaire pour w=800w/m Figure 37 : w=500w/m Figure 38: Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau solaire pour w=500w/m Figure 39:Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau photovoltaïque pour différentes températures ambiantes Figure 40: variation de la puissance PV d un module en fonction de temps

8 INTRODUCTION GENERALE Aujourd hui, les énergies renouvelables deviennent progressivement des énergies à part entière, rivalisant avec les énergies fossiles du point de vue coût et performance de production. La consommation des sources d énergies provenant des combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel etc. ) donne lieu à des émissions de gaz à effet de serre et donc une augmentation de la pollution. En plus la consommation excessive de stock de ressources naturelles réduit les réserves de ce type d énergie de façon dangereuse pour les générations futures. Cependant, pour remédier à cela, de nouvelles énergies dites<<énergies renouvelables >>, ont émergé (photovoltaïque, biomasse,..). Les énergies renouvelables regroupent un certain nombre de filières technologiques selon la source d énergie valorisée et l énergie utile obtenue. La filière étudiée dans ce projet est l énergie solaire photovoltaïque. Il s agit alors de la transformation directe d une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. L énergie photovoltaïque peut être considérée comme étant la plus attractive parmi les différentes sources d énergies renouvelables du fait qu elle présente plusieurs avantages tels que : La disponibilité de l énergie solaire partout et gratuitement, la fiabilité des systèmes PV et la modularité de la puissance en fonction des besoins. De plus cette technologie est bien adaptée à un fonctionnement décentralisé et autonome et ne produit pas de gaz à effet de serre. Enfin, les systèmes PV d aujourd hui nécessitent peu d entretien et affichent une durée de vie de 20 à 25 ans [1]. Bien que l énergie photovoltaïque soit connue depuis de nombreuses années comme source d énergie électrique allant de quelques milliwatts au mégawatt, son développement reste limité par le coût élevé des capteurs. En effet, cette énergie est soumise aux conditions météorologiques. Elle présente donc une fluctuation de production qui peut être importante en fonction du site d installation, ce qui pose des problèmes sur les réseaux locaux qu elle participe à alimenter. Le chapitre 1 a pour but de traiter le contexte de la cellule photovoltaïque, le module dont le générateur photovoltaïque se compose. Un modèle a été développé sur Matlab Simulink pour simuler le fonctionnement d un générateur PV et extraire les caractéristiques I-V et P-V sous différentes conditions d ensoleillement et de température. Le chapitre 2 présente le second volet du travail correspondant à l implémentation d un panneau PV sur Compact RIO de National Instruments. 8

9 CHAPITRE I : ETUDE ET PRESENTATION D UN GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE 9

10 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque I- Introduction Ce premier chapitre présente la cellule photovoltaïque, l élément de base d un générateur PV. On décrira le phénomène d interaction matière-rayonnement ainsi que le phénomène de production d électricité. On présentera alors les différentes équations régissant le comportement électrique, ainsi que les méthodes d identification des paramètres permettant de simuler un panneau PV dans différentes conditions d illumination et de température. II- La cellule photovoltaïque 1- ) Définition Les cellules photovoltaïques sont des composants optoélectroniques qui transforment directement la lumière solaire en électricité par un processus appelé «effet photovoltaïque», ce dernier a été découvert par Edmond Becquerel en 1839 [2]. Elles sont réalisées à l'aide de matériaux semi-conducteurs. Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante h υ qui est supérieure à l énergie du matériau ou à E g (l énergie de bande gap) arrache un électron, créant au passage un «trou». Si les photons incidents ont une énergie inférieure à E g, ils ne seront pas absorbés c'est-à-dire leur énergie ne contribue pas à la conversion photovoltaïque. Figure 1: Représentation d une cellule photovoltaïque. 10

11 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque 2- ) Structure d'une cellule photovoltaïque La cellule est l unité de conversion la plus adaptée à l effet photovoltaïque. Parmi les cellules photovoltaïques utilisant le silicium comme matériel de base on distingue les monocristallins, les poly cristallins et amorphes. Ainsi la cellule de silicium monocristallin est historiquement la plus largement utilisée et commercialisée et est celle qui a les meilleures performances, tandis que la cellule en silicium poly cristallin est moins couteuse que celle du silicium monocristallin et son efficacité est plus faible et les processus de sa préparation est moins stricte, enfin la structure de la cellule photovoltaïque amorphe présente un haut degré de désordre dans la structure des atomes [3]. Généralement, la couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé N. Dans cette couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à une couche de silicium pur, d'où l'appellation de dopage N (charge de l'électron).le matériau reste électriquement neutre : c'est le réseau cristallin qui supporte globalement une charge négative. La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé P. Cette couche possèdera donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à une couche de silicium pur, les électrons sont liés au réseau cristallin qui, en conséquence, est chargé positivement. La conduction électrique est assurée par des trous positifs (P). Il faut ajouter des contacts électriques transparents, une couche antireflet pour assurer une bonne absorption des photons, ainsi qu une couche de verre pour résister aux intempéries. Figure 2: Structure équivalente d une cellule photovoltaïque. 3-) Principe de fonctionnement de la cellule photovoltaïque Au moment de la création de la jonction PN, les électrons libres de la couche N migrent vers la couche P pour se recombiner avec les trous majoritaires. Il existera ainsi, pendant toute la vie de la jonction, une charge positive dans la région N au bord de la jonction et une charge négative dans la région P au bord de la jonction; l'ensemble forme alors une zone de charge d espace(zce) où règne un champ électrique entre les deux couches, de N vers P. 11

12 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Figure 3: la jonction pn. Un photon incident dans la ZCE arrache un électron et crée ainsi un couple libre d électrontrou. Sous l effet du champ électrique, les électrons s'accumulent dans la couche dopée N, alors que les trous s'accumulent dans la couche dopée P. Cette réaction entraine alors une différence de répartition de charges créant ainsi une différence de potentiel électrique : c est l effet photovoltaïque. En effet, chaque matériau possède son propre gap énergétique ou bande d énergie interdite. Tout photon incident possédant une énergie inférieure à ce gap n aura pas assez d énergie pour arracher un électron au matériau. L énergie électrique produite par un capteur PV est donc beaucoup plus faible que l énergie solaire arrivant sur le matériau car plusieurs conditions doivent être réunies pour que l énergie d un photon se traduise en courant : la compatibilité du matériau avec les longueurs d ondes du spectre solaire, l énergie des photons incidents, la probabilité de rencontre d un photon et d un électron, l incidence du rayonnement et l épaisseur du matériau, [4]. Figure 4: Fonctionnement d une cellule photovoltaïque. La puissance électrique produite par une cellule industrialisée est très faible, typiquement de 1 à 3W avec une tension de moins de 1 volt [5]. Pour produire plus de puissance, les cellules photovoltaïques sont alors assemblées pour former un module.. 12

13 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Le passage d un module à un panneau se fait par l ajout de diodes de protection : une diode en série pour éviter les courants inverses, et une autre en parallèle, dite diode by-pass, qui n intervient qu en cas de déséquilibre d un ensemble de cellules pour limiter la tension inverse aux bornes de cet ensemble et minimiser la perte de production associée. Figure 5: Photo d un panneau photovoltaïque. Sous des conditions réelles de fonctionnement, si les cellules PV sont légèrement différentes les unes des autres ou si elles ne sont pas uniformément éclairées, la courbe I(V) résultante n est pas facilement calculable et dépend alors d une combinaison complexe du comportement individuel de chaque cellule. III- Modèle de la cellule photovoltaïque 1-) Modèle d une cellule à une seule diode Lorsqu une jonction P-N réalisée à partir de matériaux sensibles à la lumière est éclairée, elle présente la particularité de pouvoir fonctionner en générateur d énergie. Ce comportement en statique peut être décrit par l équation électrique définissant le comportement d une diode classique. Le schéma électrique équivalent à une cellule photovoltaïque est représenté par la figure suivante qui consiste en une source de courant idéale, branchée avec une diode en parallèle, une résistance série R et une résistance parallèle R [6]. s sh La source de courant délivre un courant ph I, directement proportionnel à l'intensité de la lumière, alors que la diode D décrit les propriétés semi-conductrices de la cellule photovoltaïque. 13

14 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Figure 6: Schéma électrique équivalent d une cellule photovoltaïque. L'équation (1) du schéma (Figure 6) déduite directement à partir de la loi de Kirchhoff est la suivante : I V + R s = I ph I 0 [exp( ) 1] Vt I V + R R sh s I (Equation 1) Avec : I ph : Photo-courant de la cellule. I 0 : courant de saturation inverse de la diode. nkt V t = : Tension thermique de la diode. q Et n : Facteur d idéalité de la diode (1 <n<3). q : Charge de l électron (1, C). k : Constante de Boltzmann (1, J/K). T : température de la cellule (en kelvin) variant en fonction de l éclairement et de la température ambiante, selon la relation linéaire [7] : 14

15 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque T Ta Tfn 20 = Ψ (Equation 2) Tfn est la température de fonctionnement normale des cellules PV (en C) dans les conditions suivantes: un ensoleillement de 800 W/m 2, une température ambiante de 20 C et une masse d air optique AM égale à 1,5. La valeur det fn est généralement donnée par le constructeur et est située autour de 45 C. Ta est la température ambiante ( C), etψ (W/m 2 ) l ensoleillement global du lieu considéré et reçu par le module PV. Toutes les constantes dans les équations ci-dessus peuvent être déterminées en utilisant les données du fabricant des panneaux photovoltaïques et à partir des courbes I=f (V) mesurées. A partir de ces équations, une méthodologie simple a été développée pour la détermination des caractéristiques d une cellule ou d un panneau photovoltaïque. On introduit les deux paramètres externes de la cellule (facilement mesurables), tels que le courant de court-circuit Icc et la tension du circuit ouvertv co, pour en déduire l expression mathématique implicite du courant délivré par une cellule photovoltaïque, ainsi que sa caractéristique I(V). L expression approchée du courant de court-circuit est donnée par: I cc = Iph Rs 1+ Rsh (Equation 3) A des niveaux d éclairement usuels, le photo-courant est proportionnel à l irradiation solaire ou au flux lumineux Ψ (W/m 2 ) tel que [8] : I ph = I ph 0 Ψ 1000 (Equation 4) Où I ph0 est le courant de court-circuit pour une irradiation solaire standard de 1000W/m 2. Idéalement la tension de circuit ouvert s exprime comme suit : 15

16 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque V co = V t I ln( I ph + 0 ) 1 (Equation 5) A partir de l équation (5) on peut déduire le courant de saturation de la diode : I ph I 0 = (Equation 6) Vco exp( ) 1 V t Calcul de la résistance série Au point optimal (Maximum power point) ( V mpp, I mpp ) de fonctionnement on peut écrire la relation suivante : (Equation7) Vmpp + RsI mpp I mpp = I ph I0 exp( 1) V t I ph Or I 0 =. Vco exp( ) 1 Vt Vmpp + RsI mpp exp( ) 1 Vt I mpp = I ph(1 ). Voc exp( ) 1 V R s I Vt ln[(1 I = mpp ph I t V I co )exp( ) + V I mpp t mpp ph ] V mpp (Equation 8) V + RsI En pratique la résistance shunt (parallèle) est très grande [6], donc le terme Rsh V + RsI nul : 0 R sh devient 16

17 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque D où l équation (1) devient : V + RsI I = I ph I 0 [exp Vt 1] (Equation 9) Le schéma bloc équivalent d une cellule PV sera alors : Figure 7: Schéma bloc du Générateur Photovoltaïque. Pour atteindre les valeurs nominales requises en tension et puissance, il faut brancher les modules PV dans un groupement mixte formé de Ns modules en série et N p en parallèle On obtient dans ce cas : (Equation 10) Ces relations ne sont valables que si tous les modules, constituant le générateur PV, sont identiques et reçoivent le même niveau d irradiation. Pour qu un générateur PV ainsi constitué puisse fonctionner de façon optimale, il faut que les N, N ) Cellules se comportent toutes de façon identique. ( s p V = N V pv s cell I = N Elles doivent pour cela être issues de la même technologie, du même lot de fabrication et qu elles soient soumises aux mêmes conditions de fonctionnement (éclairement, température, vieillissement et inclinaison) [9]. Comme le module se compose de groupe de cellules, le modèle d'un module photovoltaïque est basé sur le modèle de la cellule solaire. Sa caractéristique I(V) est directement liée à la caractéristique de la cellule photovoltaïque de base. pv p I cell Figure 8:Connexions mixtes des modules photovoltaïques sur la caractéristique I(V). 17

18 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque La puissance du générateur PV sera optimale si chaque cellule fonctionne à sa puissance maximale notée P max. Cette puissance est le maximum d une caractéristique P(V) du générateur, et correspond au produit d une tension optimale notée Vmpp et d un courant optimal noté I mpp. 2-) Paramètres de la cellule photovoltaïque a-) Rendement de la cellule` Le rendement d'une cellule photovoltaïque est défini comme le rapport de la puissance maximale fournie par la cellule à la puissance lumineuse d'incident. Vmpp I mpp η = (Equation 11) ΨS S est la surface génératrice en m2et Ψ est l ensoleillement en w/m2. L optimisation du rendement des cellules photovoltaïques est basée sur la compréhension et le développement du concept du dispositif. b-) Facteur de forme, FF Un paramètre important est souvent utilisé à partir de la caractéristique I( V ) pour qualifier la qualité d une cellule ou d un générateur PV : c est le facteur de remplissage ou fill factor (FF). Ce coefficient représente le rapport entre la puissance maximale que peut délivrer la cellule notée P max et la puissance formée par le rectangle I cc * V co. Plus la valeur de ce facteur sera grande, plus la puissance exploitable le sera également. Dans cette étude le facteur de forme FF est de 0.76, même dans le cas d une cellule idéale, ne peut dépasser 0,89 [10] puisque les équations courant/tension sont régies par les équations de qv Boltzmann sous forme exponentielle : exp( ). kt Ce paramètre dépend de la conception de la cellule, de la qualité de la jonction p-n et du matériau, de la résistivité des contacts métalliques, etc. Figure 9: Facteur de forme. 18

19 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque IV- Spécification du générateur photovoltaïque La caractéristique I(V) 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) : représente la région préférée pour le fonctionnement du 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. Figure 10: Spécification d une cellule photovoltaïque. V- Point de fonctionnement d'un panneau photovoltaïque Les systèmes PV devraient être conçus pour fonctionner à leurs niveaux de puissance maximum de rendement pour n'importe quelle température et niveau solaire d'irradiation à tout moment. Le dernier facteur significatif qui détermine la puissance de sortie PV est l'impédance de la charge. Cependant, on devrait noter qu'une telle impédance n'est pas constante. Lorsque un générateur photovoltaïque est directement couplé à une charge, le point de fonctionnement du générateur photovoltaïque sous un rayonnement constant sera l'intersection de sa courbe caractéristique I=f(V) avec la courbe caractéristique I ch =f(v) de la charge, donc la charge est présentée avec un point quelque part sur la caractéristique de cellules d'i-v. Généralement ce point de fonctionnement est rarement au MPP du générateur photovoltaïque, de ce fait il ne produit pas la puissance maximum. 19

20 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Quand la charge augmente, le point de fonctionnement se déplace le long de la caractéristique vers la droite. Cependant, une diminution de la charge fait monter le point de fonctionnement de la caractéristique vers la gauche de la direction. Pour atténuer ce problème, un traqueur maximum de point de puissance (MPPT) peut être employé pour maintenir le point de fonctionnement du générateur photovoltaïque au MPP. Avec une MPPT on peut extraire plus de 97% de la puissance de générateur photovoltaïque une fois correctement optimisé [11]. VI- caractérisations électriques du générateur photovoltaïque en tenant compte des caractéristiques du fournisseur Les équations retenues ci-dessus peuvent être modélisées sous Simulink/Matlab, étant donné qu on s intéresse à une étude en temps réel, à partir des blocs mathématiques basiques présents dans le catalogue Simulink. Le panneau photovoltaïque utilisé dans le projet est un panneau STP180S-24/Ad. On a implanté et simulé son fonctionnement sous des conditions de température et d ensoleillement. 1-)Ensemble de paramètres Les paramètres les plus objectifs du module STP180S-24/Ad sont : N s =12 N p =6 T a =25 C T =45 C fn I ph0 I mpp V mpp = 5.43 A =5.09 A =36.4 V V co =45 V 20

21 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque 2-)Schéma bloc de la modélisation du GPV Figure 11: Schéma bloc d un panneau photovoltaïque sous matlab/simulink. 21

22 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque VII- Influence des paramètres internes et externes sur la caractéristique de panneau photovoltaïque a-)paramètres externes a.1)étude de la caractéristique du panneau PV en fonction de l irradiation solaire La tension optimale du générateur est de 45 Volts (V), l intensité du courant optimal est de 5.43 Ampères (A) sous une irradiation de 1000 W/m 2. Figure 12: Caractéristiques I(V) pour différentes irradiations solaires. Quand l ensoleillement augmente, l intensité du courant photovoltaïque croît, les courbes I(V) se décalent vers les valeurs croissantes permettant au module de produire une puissance électrique plus importante. De même à son tour les courbes P(V) croissent de façon à produire une puissance électrique plus importante. Le photo-courant est donc directement lié au flux lumineux (irradiation). La puissance délivrée par le panneau sous une irradiation de 1000 W/m 2 est de watts. 22

23 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Figure 13: Caractéristiques P(V) pour différentes irradiations solaires. a.2) Étude de la caractéristique du panneau PV en fonction de la température ambiante Le comportement du même module sous une lumière de 1000 W/m 2 et à des températures différents est représenté ci-dessous : Figure 14: Caractéristiques I(V) en fonction de la variation de la température ambiante. 23

24 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Figure 15: Caractéristiques P(V) en fonction de la variation de la température ambiante. Malgré le changement de la température ambiante, les caractéristiques I(V) et P(V) ne représentent pas des changements importants. b-) Paramètres internes b.1-) Variation de la résistance série de la cellule en fonction de l irradiation et de la température ambiante Variation de la résistance série en fonction de la température pour une irradiation 1000 watts/m 2 T a ( C) R s (Ω) Figure 16 : variation de la résistance série en fonction de la température ambiante. 24

25 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Variation de la résistance série en fonction de l'irradiation pour Ta = 25 C W (watts/m 2 ) R s (Ω) Figure 17: variation de la résistance série en fonction de l irradiation solaire. On remarque que la résistance série du panneau photovoltaïque diminue inversement proportionnelle à l irradiation solaire et de même à la température ambiante. On a montré que les différents paramètres électriques du panneau PV nécessitent un réajustement qui est alors nécessaire pour optimiser le fonctionnement des panneaux PV. b.2) Étude des caractéristiques du panneau PV en fonction de la résistance série Les performances d une cellule photovoltaïque sont d autant plus dégradées que lorsque grande. Rs est L influence de la résistance série sur la caractéristique I( V ) se traduit par une diminution de la pente de la courbe I = f ( V ) dans la zone où le panneau fonctionne comme source de tension.. Figure 18: Caractéristiques I(V) en fonction de la variation de la résistance série. 25

26 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Figure 19: Caractéristiques P(V) en fonction de la variation de la résistance série. C- Simulation des conditions optimales du panneau STP180S-24/Ad A partir, des caractéristiques 13 et 14, on a tracé sur les figures 21 à 23, les variations des caractéristiques optimales ( V, I, P ) du panneau STP180S-24/Ad (d après suntech) en fonction de l éclairement. mpp mpp max Lorsque l éclairement varie de 300 à 1000 W/m 2, la puissance maximale varie de 60 W à 185 W. Ainsi, la tension optimale varie très peu avec l éclairement et elle est de l ordre de 36.4 V. Figure 20: Simulation de la tension du panneau en fonction de l éclairement. 26

27 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Figure 21: Simulation du courant du panneau en fonction de l éclairement. Figure 22 : Simulation de la puissance maximale du panneau en fonction de l éclairement. VIII- Comparaison du modèle étudié avec le modèle donné par le constructeur Notre objectif était de vérifier si le modèle était capable de prédire les performances du système PV. Le graphe suivant représente les caractéristiques données par le constructeur STP180S-24/Ad (d après suntech). 27

28 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Les résultats obtenus sont tels que : Figure 23: caractéristiques données par le constructeur. Pour une irradiation de 1000W/m 2, le courant et la puissance ont pour valeur respective 5,43A et 185 W, comparés à ceux étudiés dans ce rapport et dont les résultats obtenus 5,43 A et 189,3 W. Pour une irradiation de 800W/m 2, le courant et la puissance ont pour valeur respective 4,45 A et 155 W, comparés à ceux étudiés dans ce rapport et dont les résultats obtenus A et 156,5 W. Pour une irradiation de 600W/m 2, le courant et la puissance ont pour valeur respective 3,25A et 104 W, comparés à ceux étudiés dans ce rapport et dont les résultats obtenus 3,25 A et 121,5 W. D où le coefficient de corrélation obtenu est de l ordre de 0,95. Toutefois les valeurs élevées du coefficient de corrélation témoignent de la qualité du modèle proposé dans cette étude pour prévoir la performance des générateurs PV. De même l objectif final est de vérifier si le modèle était capable de prédire les performances du système PV. Ainsi pour valider le modèle, on a choisi un jour ensoleillé avec de courtes périodes d irradiation solaire élevée. L éclairement solaire reçu par un capteur varie typiquement de la manière représentée sur la figure 25 au cours d une journée: il augmente dès le lever du jour pour atteindre un maximum au midi solaire avant de décroître de nouveau jusqu à s annuler à la tombée de la nuit. On remarque à 12h un changement rapide de l irradiation solaire provoqué par les passages nuageux. La température ambiante peut descendre jusqu à environ 18.2 C la nuit, mais le jour dépendant du niveau d ensoleillement et des conditions climatiques, elle peut s élever entre 22 et 25 C. 28

29 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Irradiance solaire (w/m²) Time 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 30 Temperature ambiante ( C) Time 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 Figure 24: Variation du rayonnement solaire et de la température ambiante. La figure 25 donne la puissance produite par un seul module photovoltaïque : on remarque que la puissance photovoltaïque pour cette journée augmente avec le temps et passe par son maximum de (189.6W) à 12h puis elle décroît progressivement à la valeur nulle à 23h. 29

30 Chapitre 1 : Etude et présentation d un générateur photovoltaïque Figure 25: La variation de la puissance PV d un module en fonction de temps. Ainsi, les changements rapides de l irradiation solaire provoqués par les passages nuageux entraînent une modification brusque de la température ambiante, il peut donc exister un déphasage entre la valeur enregistrée de la température ambiante et sa valeur réelle instantanée, et les valeurs utilisées dans le modèle peuvent ne pas correspondre avec les valeurs réelles instantanées. IX- Conclusion Dans cette étude, on a utilisé le modèle empirique à une diode pour simuler le fonctionnement des modules PV soumis à différentes conditions d ensoleillement et de température. Le principal intérêt de ce modèle réside dans sa simplicité et sa facilité de mise en œuvre à partir des caractéristiques techniques données du constructeur. Dans ce cas on comparera le modèle simple, construit à partir d hypothèses simplificatrices ou de données constructrices, avec des modèles de la littérature ou des simulations rigoureuses basées sur des modèles physiques. Un bon accord entre les données expérimentales mesurées et les données simulées a été observé pour une journée normale. Ce constat témoigne de la qualité du modèle proposé dans cette étude. 30

31 CHAPITRE II : MODELISATION DU PANNEAU PHOTOVOLTAIQUE SUR COMPACT RIO 31

32 Chapitre 2 : Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio I- Introduction Compact rio est un produit qui fait partie de la gamme de produits NI(National Instruments). Le Compact RIO qui est un système de contrôle et d'acquisition de données embarquées, est destiné aux applications nécessitant des performances et une fiabilité élevées. Il est programmable à travers LabView et est disponible au sein de notre université. Grâce à l'ouverture du système, à son architecture embarquée, à sa taille compacte, à son extrême robustesse et à sa flexibilité, ce système permet de réduire considérablement les coûts d intégration pour les systèmes embarqués. La plupart des applications de compact rio utilisent trois processeurs différents : un PC Windows, un contrôleur de système d opération en temps réel, et une carte FPGA. Il présente de nombreux avantages : Il peut être utilisé dans des milieux difficiles (Poussière, Température élevée, vibrations ) Ses petites dimensions font de Compact rio le meilleur choix pour les systèmes embarqués (Avions, véhicules ), étant donné qu il apporte performance et faible encombrement. La technologie FPGA avec le temps de réponse trop rapide fait de lui un outil important pour le contrôle en temps réel. Figure 26: Compact rio. 32

33 Chapitre 2 : Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio II- Composants du Compact Rio La composition d un compact rio est [12] : Un châssis Un FPGA (Field Programmable Gate Array) Un contrôleur Des modules Entrées /Sorties -Le châssis Le châssis reconfigurable intègre un FPGA (Field-Programmable Gate Array), qui est programmable pour l'implémentation d'un cadencement, d'un déclenchement, d'un traitement de signaux des modules d'e/s connectés à lui et d un bus PCI (Peripheral component InterConnect) transmettant les données processeur, pour une analyse en temps réel post-traitement et pour l enregistrement de données ainsi que pour la communication un ordinateur hôte en réseau. Figure 27: le châssis. Le châssis et le FPGA sont directement connectés aux modules d Entrée/Sortie à l'aide de Lab VIEW FPGA élémentaires E / S fonctions pour recevoir des informations ou transmettre des signaux. Figure 28:La topologie de la connexion 33

34 Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio - Le contrôleur Le contrôleur se forme d un port périodique, d entrées d alimentation doubles (11 à 30 VDC), d un interrupteur DIP,d un indicateur (clignotant) LED pour les statuts, d une horloge à temps réel et d un minuteur de contrôle (watchdog timer). Figure 29: Le contrôleur. - Les modules d Entrée/Sortie Les modules d Entrée/Sortie communiquent avec des dispositifs extérieurs tels que les capteurs et les déclencheurs pour recevoir des informations ou transmettre des signaux. Chaque module d'e/s comprend le conditionnement de signaux embarqué et des bornes à vis, des connecteurs BNC ou D-Sub. Comme les modules comprennent le conditionnement de signaux embarqué, nous pouvons habituellement câbler les connexions directement du module Compact RIO sur les capteurs et les actionneurs. Une variété de types d'e/s est offerte, tels que des entrées de thermocouples de ±80 mv, des entrées et des sorties analogiques simultanées de ±10 V, des E/S numériques industrielles de 24 V, des entrées numériques différentielles TTL avec une sortie d'alimentation régulée de 5 V pour les encodeurs et des entrées numériques universelles de 250 V eff. 34

35 Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio Figure 30: Modules d entrées /sorties. Parmi plusieurs modules d entrée analogique, le module NI 9215 s est avéré le meilleur pour l étude. Ce module est compatible avec compact RIO et NI Compact DAQ. Il mesure une tension allant de -10V à 10V. Il présente quatre canaux, permettant l acquisition de quatre signaux différents. Figure 31: Module NI La VI exécutant sur le processeur temps réel communique à travers des indicateurs et des contrôleurs sur le front panel. Reste un dilemme important, c est la synchronisation entre ordinateur et FPGA vu que les deux outils travaillent à des fréquences différentes d échantillonnage, et que l on on veut rendre le programme universel. Figure 32 : Architecture du projet sous compact rio. 35

36 Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio III- Réalisation La partie du projet qu on a réalisée sur compact rio consiste en l acquisition de trois signaux en entrée et leur analyse dans le domaine temporel. Le premier signal représente l ensoleillement, le second la température ambiante et le troisième la charge électrique. Le programme affiche les trois signaux en fonction du temps, chacun sur un graphe, ainsi que les caractéristiques I(V) et P(V) du panneau photovoltaïque pour différents ensoleillements et températures ambiantes. Ensoleillement en (w/m 2 ). Température ambiante en ( c). Variation de la charge. Figure 33: signaux d entrées. Le facteur multiplicatif de la tension : étant donné que la tension en entrée peut atteindre les 10V au maximum, on utilise le facteur multiplicatif pour restituer l ensoleillement, la température ambiante et la charge à des valeurs réelles. 36

37 Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio IV- Résultats et discussions On a employé pour la première entrée une tension de 5V correspondant à un éclairement de 1000w/m 2 d où le facteur multiplicatif utilisé dans le modèle est de 200. La figure 34 représente les caractéristiques du panneau pour une irradiation solaire de 1000w/m 2 et une température ambiante de 25 c. Figure 34: Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau photovoltaïque pour w=1000w/m 2 et Ta =25 C. On a abaissé la tension à 4V pour obtenir une irradiation solaire de 800 w/m 2, d où les résultats suivants : Figure 35 : w=800w/m 2. 37

38 Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio Figure 36 : Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau solaire pour w=800w/m 2. En diminuant ainsi la tension à 2.5V on obtient une irradiation solaire de 500 w/m 2. Figure 37 : w=500w/m 2. 38

39 Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio Figure 38: Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau solaire pour w=500w/m 2. Pour différents niveaux d éclairement (figures précédentes), on remarque que le courant est directement proportionnel à l irradiation de ces niveaux d éclairement. La tension par contre n est pas très dégradée lorsque l irradiation baisse. De même pour la deuxième entrée, on a employé une tension de 5V correspondant à une température ambiante de 25 C, en utilisant un autre facteur multiplicatif de 5. Le comportement du même module sous une lumière de 1000 W/m 2 et à des températures différents est représenté ci-dessous : Ta=25 C. 39

40 Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio On a augmenté la tension à 9V pour obtenir une température ambiante de 45 C. Ta=45 C Figure 39:Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau photovoltaïque pour différentes températures ambiantes. L évolution de la caractéristique I V en fonction de la température montre qu il y a une faible variation de la tension en circuit ouvert de même pour le courant en court circuit. En se basant sur les résultats obtenus ci-dessus et par une simple comparaison avec les caractéristiques données par le constructeur, on peut calculer un coefficient de corrélation qui est de l ordre de 0.95 comparable à celui obtenu en Simulink. De même pour valider le modèle sur compact rio, on a pris les mêmes variations de l éclairement et de la température ambiante pour un jour donné afin de simuler la variation de la puissance photovoltaïque en fonction du temps. La figure 40 représente la puissance fournie par le panneau photovoltaïque, on remarque que cette puissance augmente avec le temps et passe par un maximum puis elle décroît progressivement à la valeur nulle. 40

41 Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio Figure 40: variation de la puissance PV d un module en fonction de temps. V- Conclusion Un bon accord a été observé entre les deux modèles développés sur Compact Rio et celui sous Matlab, et le coefficient de corrélation est 97 %, considéré comme satisfaisant. Les modèles de simulation développés sont utilisés, non seulement pour analyser la performance d un système PV, mais aussi pour dimensionner le système PV le plus adaptable pour l alimentation des différentes charges électriques. 41

42 CONCLUSION GENERALE Quelque soit la structure d une cellule photovoltaïque, une optimisation de ses paramètres est nécessaire pour avoir un bon rendement. Les valeurs des paramètres optimaux dépendent, bien sûr, de la structure de la cellule solaire, de la qualité du matériau du substrat (duré de vie, mobilité), de la qualité des contacts ohmiques et de la vitesse de recombinaison en surface (faces avant et arrière), etc. Toutefois, il existe des outils de caractérisation permettant de comprendre non seulement le fonctionnement des cellules mais aussi et surtout maîtriser les paramètres limitatifs des performances de celles-ci. Les résultats obtenus montrent que les outils de simulation Matlab et Compact RIO valident les modèles électriques de conversion photovoltaïque d une part et la possibilité de modéliser d une manière efficace et rapide un champ photovoltaïque d une autre part. 42

43 REFERENCES [1] Mehimmedetsi Boudjemâa, Application du formalisme Bond Graph à une chaîne de conversion d énergie photovoltaïque, 2007, introduction générale, pages : 1-2. [2] Abbassan Lyes,Etude de la connexion au réseau électrique d une centrale photovoltaïque,05/05/2011,chapitre 1,page 24. [3] Céline Bernard, Carolina Sebrao Olivera, Bernard Laval, Clément Vaudouer, Panneau photovoltaïque et algorithme MPPT à base de logique floue, Automne 2009, pages : [4] Fairouz Kandouli, Modélisation et commande des machines électriques, Juillet 2007, chapitre 2, pages : [5] Yezid Ali, Optimisation des cellules solaires conventionnelles à base de silicium, , page 19. [6] A. Ould Mohamed Yahya, A. Ould Mahmoud et I. Youm, Revue des énergies Renouvelables Vol. 11 N 3 (2008) , Etude et modélisation d un générateur photovoltaïque, Septembre 2008, page 3. [7] Alain Ricaud, Modules et systèmes photovoltaïques, Notion de puissance crête et de température d'utilisation, Puissance NOCT, septembre 2008, page 10. [8] Belhadj Mohammed, Modélisation D un Système De Captage Photovoltaïque Autonome, , pages [9] Corinne ALONSO, Contribution à l optimisation, la gestion et le traitement de l énergie, Le 12 Décembre 2003, chapitre 1, page 12 [10] Nichiporuk Oleksi, Simulation, fabrication et analyse de cellules photovoltaïques à contacts arrières interdigité,décembre 2005,chapitre 1, page 23. [11] Mehimmedetsi Boudjemâa, Application du formalisme Bond Graph à une chaîne de conversion d énergie photovoltaïque, 2007, page 30. [12] NI CompactRIO : Système de contrôle et d'acquisition de données. 43

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