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UNIVERSITE BADJI MOKHTAR- ANNABA

Électrotechnique

MEMOIRE DE MASTER

DOMAINE : Sciences et Technologies

FILIERE : Électrotechnique

OPTION : Commande Electrique

Optimisation de la production énergétique

Présenté par :Dirigé par :

Jury de soutenance:

Promotion : Juin 2019

Remerciement

Le plus grand merci revient Allah qui nous a guidé dans le bon sens durant notre vie et qui nous aidé à réaliser ce modeste travail. KELAIAIA.M. S, notre promotrice qui a fourni des efforts énormes, par ses informations ses conseils et ses encouragements. Nous tenons également à remercier messieurs les membres de siéger à notre soutenance. Nos vifs remerciements aussi à tous nos enseignants, qui nous ont accompagné pendant notre cursus. Et tous les enseignants du département de Génie électrique. A tous ceux qui furent à un moment ou à tout instant partie prenante de ce travail. Nos plus chaleureux remerciements pour tous ceux qui de près et de loin ont contribué à la réalisation de ce mémoire.

Dédicace

A toutes les personnes qui nous ont encouragé de près ou de loin pour achever cette mémoire.

A nos chers parents, nos remerciements et nos

ont fourni pendant toute la durée de mes études.

A nos frères et toutes mes familles.

A notre encadreur, nos enseignants qui nous ont soutenu tout le long de mes études. Et enfin à tous nos amis sans exception surtout tous nos collègues des études.

Table des matières

Liste des abréviations

Liste des figures

Liste des tableaux

Introduction générale

Chapitre 1 : Généralités sur les énergies renouvelables

1.1 Introduction ....................................................................................................................... 1

1.2 Energie solaire ................................................................................................................... 1

1.2.1 Les panneaux solaires photovoltaïques ..................................................................... 1

1.2.2 Les panneaux solaires thermiques ............................................................................ 2

1.3 Energie éolienne ................................................................................................................. 3

1.4 Energies hydrauliques ....................................................................................................... 3

1.5 Energie biomasse ............................................................................................................... 4

1.6 La géothermie .................................................................................................................... 6

1.7 Les avantages et les inconvénients ................................................................................... 7

Avantages .......................................................................................................................... 7

Inconvénient ..................................................................................................................... 7

Avantages .......................................................................................................................... 8

Inconvénients .................................................................................................................... 8

Les avantages .................................................................................................................... 9

Les inconvénients ............................................................................................................. 9

1.7.4 La biomasse ............................................................................................................... 10

Les avantages .................................................................................................................. 10

Les inconvénients ........................................................................................................... 10

1.7.5 La géothermie ........................................................................................................... 11

Les avantages .................................................................................................................. 11

Les inconvénients ........................................................................................................... 11

1.8 Le gisement solaire au monde ........................................................................................ 12

1.9 Energie solaire en Algérie ............................................................................................... 12

1.10.1 Energie solaire photovoltaïque .............................................................................. 15

1.10.2 Energie Solaire Thermique .................................................................................... 15

1.11 Conclusion ...................................................................................................................... 16

Chapitre 2: Modélisation du générateur photovoltaïque

2.1. Introduction : ................................................................................................................... 17

2.2. La cellule photovoltaïque : ............................................................................................. 17

2.3. Différents types des cellules solaires : ............................................................................ 18

2.3.1 Les cellules monocristallines : .................................................................................. 18

2.3.2 Les Cellules poly cristallines : ................................................................................... 19

2.3.3 Les Cellules amorphes : ............................................................................................ 20

2.4. Comparaison : ................................................................................................................. 21

2.5 Le module photovoltaïque : ............................................................................................. 22

2.6. Association de cellules photovoltaïques : ...................................................................... 23

2.6.1 Association en série : ................................................................................................. 23

2.6.2 Association en parallèle : .......................................................................................... 24

2.6.3 Association en série parallèle : ................................................................................. 25

2.7. Les principaux paramètres des modules (cellules) photovoltaïques sont .................. 26

2.7.1 Caractéristique courant-tension : ............................................................................ 26

2.7.2 Tension à circuit ouvert ............................................................................................ 27

2.7.3 Courant de court-circuit ........................................................................................... 27

2.7.4 Point de fonctionnement optimum .......................................................................... 27

2.7.5 Rendement de conversion ........................................................................................ 27

2.7.6 Facteur de forme ....................................................................................................... 28

2.8.1 Modèle à trois paramètres (L3P) ............................................................................ 28

2.8.2 Modèle à quatre paramètres (L4P) : ........................................................................ 29

2.8.3 Modèle à cinq paramètres (L5P) ............................................................................. 30

2.8.4 Modèle à cinq paramètres à deux diodes (2M5P) .................................................. 31

2.9. Caractéristiques du GPV ............................................................................................... 27

2.9.2 Influence de la température ..................................................................................... 29

2.9.3 L'influence de Résistance série ................................................................................ 30

2.9.4 L'influence de Resistance shunt .............................................................................. 31

2.10 Conclusion ...................................................................................................................... 32

CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT

3.1 Introduction : .................................................................................................................... 33

3.2 Convertisseurs DC-DC pour les systèmes d'énergie solaire : ...................................... 33

3.2.1 Les types : ................................................................................................................... 34

3.3 Hacheur Buck (série/abaisseur) : .................................................................................... 34

3.4 Hacheur Buck - Boost (abaisseur - élévateur) : ............................................................. 35

3.5 Hacheur Boost (parallèle/élévateur) : ............................................................................. 36

3.5.1 La phase active : ........................................................................................................ 38

3.5.2 La phase de roue libre : ............................................................................................. 39

3.6 La Commande MPPT : .................................................................................................... 40

3.7 Les Algorithmes MPPT : ................................................................................................. 41

3.7.1 Algorithme " Perturb and Observe » (P&O) : ........................................................ 41

3.7.2 Algorithme " Incrément des conductances » (IncCond) : ...................................... 43

3.7.3 Algorithme de régulation de tension : ...................................................................... 45

3.7.4 Algorithme de régulation de courant : .................................................................... 46

3.6.5 Algorithme à base de la logique floue : .................................................................... 47

3.8 Conclusion : ...................................................................................................................... 47

CHAPITRE 4 : Application du deux commandes MPPT

4.1 Introduction : .................................................................................................................... 48

4.2 Simulation du système PV menu de la commande MPPT P&O et Inc : ..................... 48

4.3 Les résultats de simulation avec la technique P&O et InC : ........................................ 49

4.4 Interprétation des résultats : ........................................................................................... 54

4.5 Conclusion : ...................................................................................................................... 55

Conclusion générale

Références bibliographiques

Annexe

Liste des abréviations

GPV : Générateur photovoltaïque.

PV : Photovoltaïque.

PPM : Le point de puissance maximal.

MPPT : Maximum power point tracking

V pv : La tension aux bornes du GPV.

I pv : Le courant que peut délivrer un GPV.

V cel : La tension aux bornes de la cellule PV.

I cel : le courant de la cellule PV.

V opt et I opt : Tension et Courants optimaux correspondant à PMAX.

DC : Courant continu.

AC : Courant alternative.

. Le rapport cyclique.

DC/DC : Continue / Continue

P&O : Perturb and Observe

IncC : Incrémental Conductance

Uoc : Tension de circuit ouvert

Vmax : Tension de puissance maximale

Imax : Courant de puissance maximale

Pmax : Puissance maximale

Liste des figures

Chapitre 1 : Généralités sur les énergies renouvelables

Fig1.1 : Un panneau solaire photovoltaïque .......................................................................... 2

Fig1.2 : Un panneau solaire thermique .................................................................................. 2

Fig1.5 : La biomasse ................................................................................................................. 5

Fig1.9 : Carte Durée moyenne d'ensoleillement en Algérie .............................................. 14

Chapitre 2: Modélisation du générateur photovoltaïque

Fig2.2 : le type de cellule monocristalline............................................................................. 19

Fig2.3 : le type de cellule poly cristalline. ............................................................................. 19

Fig2.4 : le type de cellule amorphe. ....................................................................................... 20

Fig.2.5 : Cellule photovoltaïque de type cuivre - indium - sélénium ................................. 21

Fig2.6 : le module photovoltaïque. ........................................................................................ 22

Fig2.7 : Boite de jonction ....................................................................................................... 22

Fig2.8 : Association des cellules en série. ............................................................................. 24

Fig2.9 : Caractéristique résultante d'un groupement en série ........................................... 24

Fig2.10 : Association des cellules en parallèle. ..................................................................... 24

Fig2.11 : Caractéristique résultante d'une association en parallèle. ................................. 25

Fig2.12 : Association mixte des cellules. ............................................................................... 26

Fig2.13 : Caractéristique résultante d'une association mixte............................................. 26

Fig2.15 : Schéma équivalent du modèle à une diode à 3 paramètres. ............................... 29

Fig2.16 : Schéma équivalent du modèle à une diode à 4 paramètres. ............................... 30

Fig2.17 : Schéma équivalent du modèle à une diode à 5 paramètres. ............................... 31

Fig2-18 : Schéma équivalent du modèle à deux diodes à 5 paramètres. ........................... 32

Fig2.19 : Bloc Simulink de panneau photovoltaïque exposé à différents éclairements. .. 28

Fig2.22 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs de température......................... 29

Fig2.23 : Caractéristiques P(V) pour différentes valeurs de température. ....................... 29

Fig2.24 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs de résistance série. ................... 30

Fig2.25 : Caractéristiques P(V) pour différentes valeurs de résistance série. .................. 30

Fig2.26 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs de résistance parallèle. ............ 31

Fig2.27 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs de résistance parallèle. ............ 31

CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT

Fig3.1 Système de conversion photovoltaïque ..................................................................... 33

Fig3.2 : Convertisseur continu- continu. .............................................................................. 34

Fig3.8 : Schéma de phase active. ........................................................................................... 38

Fig3.9 : Schéma de phase de roue libre. ............................................................................... 39

photovoltaïque, un convertisseur BOOST, une commande MPPT et une charge. .......... 40

Fig3.13 : Algorithme de la méthode P&O. ........................................................................... 42

Fig3.14 : Algorithme de la méthode Incrément de conductance. ....................................... 44

CHAPITRE 4 : Application du deux commandes MPPT

Fig4.1 : schéma Matlab/Simulink de la commande MPPT (P&O) .................................... 48

Fig4.2 : variation du tension du panneau ............................................................................. 49

Fig4.3 : variation du tension du de la charge ....................................................................... 49

Fig4.4 : variation du Puissance du panneau ...................................................................... 50

Fig4.5 : variation du Puissance de la charge ........................................................................ 50

Fig4.6 : variation du courant du panneau ............................................................................ 50

Fig4.7 : variation du courant de la charge ........................................................................... 50

Fig4.8 : variation de la tension du panneau ........................................................................ 51

Fig4.9 : variation de la tension de la charge ........................................................................ 51

Fig4.10 : variation du courant du panneau .......................................................................... 52

Fig4.11 : variation du courant de la charge ......................................................................... 52

Fig4.12 : variation du Puissance du panneau ...................................................................... 53

Fig4.13 : variation du Puissance de la charge ...................................................................... 53

Liste des tableaux

Chapitre 1 : Généralités sur les énergies renouvelables

Tableau 1.1 : les différents ensoleillements des régions Algériennes ................................. 13

Chapitre 2: Modélisation du générateur photovoltaïque

Tab 2-1 : Comparaison entre les différents types des cellules . .......................................... 21

Résumé :

cellule recherche. En raison des caractéristiques électriques fortement non linéaires des cellules PV et de leurs associations, le rendement des systèmes PV peut être amélioré par des solutions à base des techniques MPPT par exemple la méthode perturbation et d'observation (P&O) et la méthode de conductance incrémentale (IncCond). s techniques consiste à assurer un fonctionnement à puissance maximale du système photovoltaïque pour diverses conditions effectuée moyennant le convertisseur DC/DC. Mots-clés : Cellule photovoltaïque, PV, convertisseur DC-DC, MPPT. P&O, IncCond, MPPT, Générateur photovoltaïque.

Abstract:

In recent years, the use of renewable energies has grown considerably. The basic element of this energy is the photovoltaic cell that has been the object of many in several research laboratories. Due to the highly non-linear electrical characteristics of PV cells and their associations, the efficiency of PV systems can be improved by solutions based on MPPT techniques such as the perturbation and observation (P & O) method and the incremental conductance method. (IncCond). The purpose of these techniques is to ensure maximum power operation of the photovoltaic system for various climatic conditions. The adaptation between the photovoltaic generator and the load was carried out by means of the DC / DC converter. Keywords: Photovoltaic cell, PV, DC-DC converter, MPPT. P & O,

IncCond, MPPT, Photovoltaic Generator.

Introduction générale :

La consommation mondiale énergétique augmente malheureusement au utilisées de manière abusive. Ces énergies sont polluantes et limitées. dramatiques sur les équilibres physiques, économiques sociaux et politiques de notre planète. annuellement et peut atteindre les 3900 heures (hauts plateaux et Sahara). photovoltaïque est une énergie propre et non polluante, et son utilisation offre un approvisionnement en énergie inépuisable. inconvénients majeurs de cette énergie sont le prix du générateur qui reste encore élevé ainsi que le rendement énergétique relativement bas. Pour surmonter ces problèmes, deux voies sont souvent suivies : Augmente le rendement énergétique en adoptant des technologies de très haut niveau lors de la fabrication des cellules photovoltaïques. Maximise la puissance délivrée par le générateur.

Objectif du travail :

maximisation de la puissance délivrée par le panneau photovoltaïque (Perturbation et Observation, Incrémentation de Conductance), pour atteindre cet objectif, nous avons scindé notre mémoire en trois chapitres.

Structure de la mémoire :

renouvelables dans le monde. Le chapitre suivant, consacré à la modélisation du panneau photovoltaïque, ainsi le principe de la conversion photovoltaïque puis nous donnerons les principales Le troisième chapitre est consacré à une modélisation de convertisseurs DC_DC à savoir, le convertisseur Boost et on a fait quelques techniques de poursuite du méthode "Perturbation-Observation", "IncCond".

Chapitre 1

Généralités sur les énergies

renouvelables CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables 1

1.1 Introduction :

participent à la lutte raisonnée des ressources locales, génèrent des emplois. Le solaire (solaire omasse, la géothermie sont des énergies flux inépuisables par rapport aux " énergies stock » tirées des gisements de combustibles fossiles en voie de raréfaction : pétrole, charbon, lignite, gaz nature. Il y a cinq familles principales d'énergies renouvelables. Dans l'ordre d'importance de leur exploitation actuelle, ce sont :

1.2 Energie solaire :

rayons sont retenus par des capteurs thermiques vitrés et sont transformés pour sanitaire. Pour pouvoir exploiter panneaux solaires photovoltaïques, soit de panneaux solaires thermiques [1].

1.2.1 Les panneaux solaires photovoltaïques :

Sont placés sur les toits des bâtiments ou à tout autre endroit où ils pourraient être en contact direct avec les rayons solaires. Ils sont composés de capteurs qui retiennent la lumière du soleil grâce au silicium présent dans chacune des cellules

Celle-ci peut être

utilisée immédiatement (utilisation individuelle) ou stockée en batteries ou encore injectée dans le réseau [1]. CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables 2

Fig1.1 : Un panneau solaire photovoltaïque

1.2.2 Les panneaux solaires thermiques :

Quant à eux, ne captent pas les rayons du soleil, mais emmagasinent plutôt la chaleur qui en est pourrai distribuée dans toute la maison. On peut utiliser ce système pour chauffer les locaux, les piscines, sécher les récoltes ou encore faire cuire des aliments (fours thermiques) [1].

Fig1.2 : Un panneau solaire thermique

CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables 3

1.3 Energie éolienne :

Auparavant, il était question de moulins à vent avec des pales en forme de voile, qui pompes. du vent, elles produisent des forces mécaniques ou électriques qui sont utilisées pour géné dans un réseau de distribution sont le plus souvent placées en mer. Mais pour un usage domestique, il en existe des modèles réduits [1].

Fig1.3 :

1.4 Energies hydrauliques :

L'énergie hydraulique est une énergie renouvelable très faiblement émettrice de gaz à effet de serre. Cette source d'énergie renouvelable exploite les mouvements de l'eau actionnés par le Soleil et la gravité à travers le cycle de l'eau, les marées et les courants marins. Qu'elles utilisent les chutes d'eau naturelles (cascades) ou artificielles (barrages hydroélectriques), le débit des cours d'eau ou les courants marins (marée, CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables 4 circulation thermohaline, etc.), les centrales hydrauliques produisent de l'énergie mécanique convertie la plupart du temps en électricité (hydroélectricité). L'exploitation de l'énergie hydraulique a toutefois certains inconvénients, notamment en matière de continuité des cours d'eau. En effet, la création d'un barrage représente un obstacle pour la navigation, la migration des espèces aquatiques et le transfert de sédiments [1].

Fig1.4

1.5 Energie biomasse :

La biomasse (issue des matières organiques) peut devenir une source de chaleur, pour en tirer son énergie : la combustion, la gazéification, la pyrolyse ou encore la méthanisation par exemple. CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables 5 L'énergie biomasse peut être produite de manière locale. Mais il faut veiller, dans certains cas, à ce qu'elle n'entre pas en concurrence avec la chaîne alimentaire.

L'énergie biomasse comprend :

La source ancestrale qu'est le bois. Il peut produire de la chaleur, de l'électricité ou des biocarburants (hydrolyse de la cellulose en glucose puis fermentation en éthanol). Les biocarburants, liquides ou gazeux, issus de la transformation de végétaux comme le colza ou la betterave (1ère génération), issus de matières cellulosiques (2e génération) ou issus de microorganismes comme des microalgues (3e génération). Il est à noter que la biomasse ne peut être considérée comme une source d'énergie renouvelable que si sa régénération est supérieure à sa consommation [1].

Fig1.5 : La biomasse

CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables 6

1.6 La géothermie :

La géothermie est une énergie renouvelable provenant de l'extraction de l'énergie contenue dans le sol. Cette chaleur résulte essentiellement de la désintégration radioactive des atomes fissiles contenus dans les roches. Elle peut être utilisée pour le chauffage, mais aussi pour la production d'électricité. Il s'agit de l'une des seules énergies ne dépendant pas des conditions atmosphériques. En revanche, elle dépend de la profondeur à laquelle elle est puisée. La géothermie profonde quelque 2.500 mètres pour 150 à 250 °C permet de produire de l'électricité. La géothermie moyenne dans les gisements d'eau notamment de 30 à 150 °C alimente les réseaux de chaleur urbains. La géothermie à très basse énergie entre 10 et 100 mètres de profondeur et inférieure à 30 °C est celle exploitée par les pompes à chaleur [1]. Notons toutefois que pour que l'énergie géothermique demeure durable, le rythme auquel est puisée cette chaleur ne doit pas dépasser la vitesse à laquelle celle-ci voyage à l'intérieur de la terre.

Fig1.6 :

CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables 7

1.7 Les avantages et les inconvénients :

Avantages :

xC'est une énergie renouvelable et écologique. x xSource d'énergie inépuisable. xUne énergie propre et non polluante qui ne produit pas de gaz a effet de serre ou autres déchets toxiques pour l'environnement. xLe rendement énergétique est positif : il faut en moyenne 3 et 4 ans pour consommé pour sa fabrication. xLa lumière ne coute rien.

Inconvénient :

xCertains panneaux sont très sensibles et peuvent être endommagés par certaines conditions météorologiques (grêle, gel...). xLe coût d'investissement d'une installation solaire thermique est relativement élevé.quotesdbs_dbs45.pdfusesText_45

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