Etude d'un système photovoltaïque autonome à base d… · à l’aide d’un programme de calcul...

UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA

Faculté des Sciences Appliquées

Département de Génie Electrique

Mémoire MASTER ACADEMIQUE

Domaine : Sciences et technologies

Filière : Electrotechnique

Spécialité : Réseaux électriques

Présenté par :

MILOUDI sabrina

Thème:

Soutenu publiquement

Le : 01/06/2016.

Devant le jury :

Année universitaire 2015/2016

Mr Abdelkader Benmir MA (A) Président UKM Ouargla

Mr Ahmed Djafour MC (A) Encadreur/rapporteur UKM Ouargla

Mr Ali Bouhafes MA (A) Examinateur UKM Ouargla

Etude d'un système photovoltaïque

autonome à base d'hydrogène vert

I

Dédicace

Je dédie ce mémoire:

À l'esprit de mon cher père

À ma mère Source de tendresse, de noblesse et d'affectation

À Mon cher mari et ma petite fille

À mes sœurs Ibtissem et Sabah

à ma deuxième père hakkoum et tout ma familles

A tous mes amis pour leur sympathie, leur humeur et leur solidarité envers moi.

A chacun de penser et cherche à améliorer la science partout MILOUDI SABRINA

II

Je remercie premièrement le bon Dieu pour son bien fait.

Je tiens à exprimer mes vifs remerciements et mes profondes gratitudes à Mon

encadreur Dr Ahmed Djaafour qui m’a apporté son aide et ses valeureux conseils pour

l’accomplissement et le suivit de ce travail

Je remercie les membres du jury, Mr. Benmir Abdelkader et Mr. Bouhafs Ali pour

avoir accepté d’évaluer mon travail et pour leurs remarques constructives.

Je tiens à exprimer mes sincères remerciements à tout l'équipe de centre de recherche

pour ses conseilles et son aides

Enfin, je souhaiterai également remercier toute ma famille, pour Son soutien et ses

encouragements dans ces longues années d’études. Particulièrement ma mère

Merci à toutes les personnes que je n’ai pas citées et qui ont de près ou de loin

participé à la réalisation de ce travail.

Résumé

III

Résumé

Dans ce mémoire nous présentons les résultats de dimensionnement d’un système

photovoltaïque autonome à base d’hydrogène vert, obtenu par le biais d’un électrolyseur,

alimenté par des modules solaires photovoltaïques, pour satisfaire les besoins en hydrogène

d’une pile à combustible de type PEMFC. Dans cette étude nous avons calculé par simulation

à l’aide d’un programme de calcul sous Matlab les valeurs des rayonnements globaux, avec le

choix de l’inclinaison optimale mensuelle aux niveaux des surfaces des modules solaires dans

le site de Ouargla. Ensuite nous avons suivi une démarche qui permet de dimensionner le

générateur PV, en passant par la caractérisation expérimentale, au laboratoire , des éléments

de système de la pile après la détermination de type de la charge finale, ainsi que

l’introduction des caractéristiques techniques nécessaires des autres composants de système.

Mots clés: Energie solaire, Hydrogène, électrolyseur, Système photovoltaïque, pile à

combustible, dimensionnement.

تم الحصول علیھ من فوطوفلطائي ذاتي أساسھ الھیدروجین األخضر أبعاد نظام عرض نتائج تحدید ن مذكرةھذه الفي

ذات وقود من الھیدروجین لخلیة حتیاجاتاللتلبیة ا .خالل تغذیة محلل كھربائي بواسطة األلواح الشمسیة الفوطوفولطائیة

تلقاه تلحساب اإلشعاع الشمسي الذي یعمل بماتالب برنامج باستعمالفي ھذه الدراسة قمنا .الغشاء الممرر للبروتونات

ح بتحدید أبعاد سمت تباع طریقةبعد ذلك قمنا بإ , الموجودة بورقلةو بزاویة مثلى شھریة ةمائلالشمسیة ال واحلاأل سطحأ

تحدید نوعیة الحمولة بعد مولد الفوطوفلطائي وھذا عبر المرور بتجارب بالمخبر لتحدید خصائص نظام خلیة الوقود ال

.مكونات النظاملبقیة إدخال الخصائص التقنیة الالزمة كذلكو النھائیة

أبعاد تحدید ,خلیة وقود , فوطوفلطائينظام , كھر ولیتيمحلل ,ھیدروجین ,طاقة شمسیة : الكلمات المفتاحیة

Abstract:

In this memory we present the results of sizing of an autonomous photovoltaic system

based on green hydrogen, obtained through an electrolyser, powered by photovoltaic solar

modules, to meet the hydrogen needs of a fuel cell PEM. In this study we calculated by

simulation using a computer program Matlab values of global radiation, with the choice of the

optimal angle monthly levels of the surfaces of solar modules in the site of Ouargla. Then we

followed a process that is used to size the PV generator, through the experimental laboratory

characterization of the cell system elements after determining the type of the final charge, and

the introduction of technical features required of other system components.

Keywords: Solar energy, Hydrogen electrolyser, photovoltaic system, fuel cell, sizing

Liste des figures

IV

Liste des figures

CHAPITRE I

Donnes climatiques et solaire dans la région d'étude

Figure I .1 : Spectre d'irradiante solaire…………………………………………….07

Figure I .2 : définition de masse d'air. ……………………………………………..08

Figure I .3 : le mouvement de la terre autour de soleil……………………………..10

Figure I .4 : Bilan du rayonnement solaire au niveau de sol………………………13

Figure I .5 : L’irradiation moyenne sur un plan horizontal à ouargla ……………20

Figure I .6 : les rayons solaires sur un plan incliné………………………………..21

Figure I .7 : Angles optimum mensuelle d'un panneau solaire à ouargla………….22

Figure I .8: Héliographe de Campbell-Stokes……………………………………...23

Figure I .9 : Héliographe à fibres optique……………………………………….....23

Figure I .10 : Pyranomètre………………………………………………………….23

Figure I .11 : Pyrhéliomètre………………………………………………………...23

.

CHAPITRE II

Généralité sur le système photovoltaique

Figure II .1: principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique par cellule

photovoltaïque…………………………………………………………….25

Figure II .2: Différentes techniques de cellules photovoltaïques………………..26

Figure II .3 : Caractéristique courant-tension d’une cellule PV…………………30

Figure II .4: Le schéma électrique équivalent d’une cellule solaire idéal……….30

Figure II .5: schéma électrique équivalent d’une cellule solaire réel…………….31

Figure II .6: Un module photovoltaïque…………………………………………33

Figure II .7: Caractéristiques de groupement série des cellules…………………33.

Figure II .8: Caractéristiques de groupement parallèle des cellules……………..34

Figure II .9: Caractéristique d’un générateur photovoltaïque pour différents

éclairements………………………………………………………………………34

Figure II .10: Influence de la température sur la caractéristique électrique……..35

Figure II .11: schéma synpotique résumant les divers types de système

photovoltaique……………………………………………………………………38

Liste des figures

V

CHAPITRE III

La technologie d'hydrogène vert et système hybride

Figure III .1: Principales sources de production de l′�� dans le monde………..41

Figure III .2: Cycle de l’hydrogène……………………………………………...42

Figure III .3: Systèmes de production d’électricité à base d’hydrogène vert……45

Figure III .4: Principe schématique des différentes piles à combustible………..46

Figure III .5: Principe schématique de l’électrolyse PEM………………………47

CHAPITRE IV

Caractérisation et dimensionnement du système Figure IV.1: Présentation générale du système…………………………………49 Figure IV.2: Les éléments de système Nexa de la pile à combustible………….50 Figure IV.3: la pile reliée directement à la charge………………………………50 Figure IV.4: essai courbe U-I en fonction du courant de la pile………………...51 Figure IV.5: variation de la puissance de la pile à combustible en fonction du courant……………………………………………………………………………51 Figure IV.6: Consommation d'hydrogène en fonction du courant………………52 Figure IV.7: Alimentation de la charge à travers le convertisseur DC/DC……..52 Figure IV.8: organigramme des rendements…………………………………….54 Figure IV.9: schéma du système avec des lampes fluorescentes………………..55

Liste des tableaux

VI

Liste des tableaux

CHAPITRE I

Donnes climatiques et solaire dans la région d'étude

Tab I .1 : spécification du site d'Ouargla…………………………………………….............03

Tab I.2 : les températures d'Ouargla. ………………………………………….....................04

Tab I .3 : humidité relative moyenne mensuelle……………………………………………04

Tab I .4 : les valeurs mensuelles moyennes des vitesses du vent pour

Ouargla……………………………………………………………………………..………. ..05

Tab I .5 : les précipitations de la région d'ouargla ………………………………..………..05

Tab I .6 : l'évaporation moyenne mensuelle pour Ouargla………………………...…….....05

Tab I .7 : la moyenne mensuelle d'heures d'insolation pour ouargla………….....................06

Tab I .8: la répartition d'énergie en fonction de la longueur d'onde………………………....07

Tab I .9 : listes des stations par zones énergétique……………………………....................15

Tab I .10: Liste des jours types par mois proposés par Klein………………………………..17

Tab I .11: Valeurs de l’irradiation journalière moyenne mensuelle hors

atmosphère………………………………………………………………………....................17

Tab I .12: Valeurs moyenne mensuelle d’insolation mensuelle..………………………..….19

Tab I .13: Les valeurs de L'irradiation globale journalière mensuelle sur une surface

horizontale à Ouargla…………………………………………………………………………19

Tab I .14: Les valeurs de l’irradiation globale journalière mensuelle pour une inclinaison

optimale à ouargla …………………………………………………………………………....21

CHAPITRE II

Généralité sur le système photovoltaique

Tab II .1: Classification de différents types de cellules photovoltaïques au

silicium………………………………………………………………………………………..28

Tab II.2: Rendement énergétique des différents types de cellules photovoltaïques…............28

CHAPITRE III

La technologie d'hydrogène vert et système hybride

Tab III.1: Tableau récapitulatif des différentes technologies de piles à combustible ………46

Tab III.2: Données techniques des différents électrolyseurs………………………………...47

Liste des tableaux

VII

CHAPITRE IV

Caractérisation et dimensionnement du système Tab IV.1: la puissance de l'entrée et la sortie de convertisseur DC/DC…………………......53 Tab IV.2: Estimation de la charge…………………………………………………………...55

Tab IV.3: l’énergie solaire des jours type……………………………………………………56 Tab IV.4: Les durées d’ensoleillement moyen quotidien pour chaque mois………………...56 Tab IV.5: Durée du jour pour chaque jour type du mois (D’après le programme de calcul)…………………………………………………………………………………………57 Tab IV.6: Résultats de dimensionnement……………………………………………………59

Sommaire

Sommaire

Dédicace

Remerciement

Résumé

Liste des figures

Liste des Tableaux

Sommaire

Introduction générale……………………………………………………………………01

Introduction……………………………………………………………………..03

I. Données climatiques…………………………………………………………….03

I.1. Situation de la région de Ouargla ……………………………………..……03

I.2. Etude climatologique……………………………………………………….03

I.2.1. La température ………………………………………………………….03

I.2.2. L'humidité relative ……………………………………………………...04

I.2.3. Le vent ………………………………………………………………….04

I.2.4. La précipitation …………………………………………………………05

I.2.5. L'évaporation …………………………………………………………...05

I.2.6. L'insolation ………………………………………………………...…...05

II. Données solaire ………………..……………………………………………..06

II.1. Soleil……………………………………………………………………….06

II.2. Spectre de rayonnement solaire …………………………………………...06

II.3. Caractéristique de rayonnement solaire…………………………………....08

II.3.1. Rayonnement hors atmosphère ………………………………………...08

II.3.2. Influence de l'atmosphère………………………………………………08

Chapitre I: Donnes climatiques et solaire dans la région d'étude

II.3.3. Masse d'air……………………………………………………………...08

II.4. Cordonnes géographiques…………………………………………….……09

II.4.1. La latitude � …………………………………………………………...09

II.4.2. La longitude �………………………………………………………….09

II.4.3. L'altitude………………………………………………………………..09

II.5. Position de soleil et le temps………………………………………………09

II.5.1. Position de soleil……………………………………………………….09

II.5.1.1. Déclinaison solaire (�)………………………………………………09

II.5.1.2. L'angle horaire (�)…………………………………………………...10

II.5.1.3. Hauteur de soleil (h)…………………………………………………10

II.5.1.4. Azimut du soleil (�) …………………………………………………11

II.5.2. Temps solaire …………………………………………………………..11

II.5.2.1. Temps solaire moyenne ……………………………………………..11

II.5.2.2. Temps solaire vrai …………………………………………………..11

II.5.2.3. Temps universel (TU)………………………………………………..12

II.5.2.4. Equation du temps…………………………………………………....12

II.5.2.5. Temps légal (TL)……………………………………………………..12

II.6. Rayonnement solaire au niveau de sol……………………………………..13

II.7. Rayonnement solaire en Algérie…………………………………………...14

II.8. Calcul de l'irradiation solaire……………………………………………….15

II.8.1. La durée et le taux d'insolation ………………………………………....15

II.8.2. L'éclairement …………………………………………………………...15

II.8.3. L'irradiation horaire……………………………………………………..16

II.8.4. L'irradiation journalière ………………………………………………...16

II.8.5. L'irradiation journalière moyenne mensuelle hors atmosphère ………...16

Le jour types du mois………………………………………………….16

II.9. Le rayonnement solaire en présence de l'atmosphère………………………17

II.9.1. L'indice de clarté ……………………………………………………….18

II.9.2. Estimation de l'irradiation diffuse sur une surface horizontale…………18

II.9.3. Calcul de l'irradiation globale journalière mensuelle sur une surface horizontale

……………………………………………………………………………………19

II.9.4. Calcul de l'irradiation globale journalière mensuelle sur une surface

inclinée……………………………………………………………………………20

a) Inclinaison optimal d'un panneau solaire………………………………….21

II.10. Appareils de mesure………………………………………………………22

II.10.1. Mesure de la fraction d'insolation……………………………………..22

II.10.2. Mesure du rayonnement solaire global………………………………..22

II.10.3. Mesure de rayonnement direct………………………………………..22

Conclusion……………………………………………………………………….23

Introduction………………………………………………………………………24

II.1. Historique de l'énergie photovoltaique………………………………………24

II.2. Le principe de la conversion photovoltaique ……………………………….25

II.2.1. La cellule photovoltaique ……………………………………………….26

II.2.2. Le silicium et ses propriétés …………………………………………….26

II.2.3. Technologies des cellules photovoltaïques………………………………26

a) Silicium polycristallin………………………………………………………27

b) Silicium monocristallin ……………………………………………………27

c) Silicium amorphe en couche mince………………………………………..27

II.2.4. Le rendement…………………………………………………………….28

II.2.5. Caractéristiques électriques et paramètres de la cellule photovoltaique...29

II.2.5.1. La caractéristique courant-tension …………………………………...29

a) Caractéristique (J-V) idéal……………………………………………….30

b) Caractéristique (J-V) réelle………………………………………………31

II.3. Le générateur photovoltaique……………………………………………….32

Chapitre II: Généralité sur le système photovoltaique

II.3.1. Le module photovoltaique ……………………………………………...32

Montage en série………………………………………………………33

Montage en parallèle…………………………………………………..34

II.3.2. Influence de l'éclairement sur les modules photovoltaïques…………..34

II.3.3. Influence de la température sur les modules photovoltaïques………….35

II.4. Les batteries…………………………………………………………………35

II.4.1. Types des batteries utilisées dans les systèmes PV…………………….35

Les batteries au plomb …………………………………………………...36

Les batteries au Nickel- cadmium [Ni-Cd] ………………………………36

II.5. Les convertisseurs……………………………………………………………36

II.6. Différentes configurations des systèmes PV ………………………………..37

II.7. Avantages et inconvénients de l'énergie solaire……………………………..38

II.7.1. Avantages ……………………………………………………………….38

II.7.2. Inconvénients ……………………………………………………………39

II.8. Les applications d'énergie solaire PV……………………………………….39

Conclusion………………………………………………………………………..40

Introduction………………………………………………………………………41

III.1. Les particularités de l'hydrogène……………………………………………41

III.2. Production d'hydrogène solaire …………………………………………….42

III.3. Stockage et utilisation d'hydrogène………………………………………...42

III.4. Stockage et transport de l'hydrogène………………………………………..43

III.5. Les applications d'hydrogène……………………………………………….43

Des applications stationnaires …………………………………………....43

Des applications mobiles………………………………………………….44

Des applications industrielles……………………………………………..44

III.6. Production d'hydrogène à partir de l'électrolyse de l'eau………..…………44

III.7. Système de production d'électricité à base d'hydrogène vert……………….44

III.7.1. La pile à combustible (PEMFC)………………………………………45

Chapitre III: La technologie des systèmes à d'hydrogène vert

III.7.2. L'électrolyseur (PEM)…………………………………………………46

III.7.3. Le système de stockage………………………………………………..47

Conclusion ……………………………………………………………………….48

Introduction ……………………………………………………………………...49

IV.1. Expérimentation …………………………………………………………...49

IV.1.1. Compositions du système……………………………………………...49

IV.1.2. Caractérisation de la pile à combustible(PEM)………………………..50

a) Caractéristique (U-I)……………………………………………………..51

b) Caractéristique de la puissance (W)……………………………………...51

c) Caractéristique de la consommation d'hydrogène (nl/min)………………52

IV.1.3. Flux de puissance à travers le convertisseur DC/DC………………….52

IV.2. Dimensionnement de générateur PV……………………………………....53

IV.2.1. Installation photovoltaique…………………………………………….53

IV.2.2. la charge………………………………………………………………..54

IV.2.3. La pile à combustible (PEMFC)……………………………………….55

IV.2.4. Le convertisseurs [DC/DC]……………………………………………55

IV.2.5. Chiffrage de l'énergie récupérable (Es) …………………………………..56

IV.2.6. Estimation de la durée d'insolation (Hd)………………………………56

IV.2.7. Estimation de la puissance requise (��)……………………………….57

IV.2.8. Puissance unitaire d'un module (Pu)…………………………………...57

IV.2.8.1. Déterminer de la puissance solaire reçue (��)……………………..57

IV.2.8.2. Détermination de puissance unitaire………………………………58

IV.2.9. Estimation du nombre des modules (Nm)……………………………..58

IV.2.10 Dimensionnement du régulateur …………………….……………….58

IV.2.11. Estimation de la capacité de stockage de batterie Cs …………..…... 58

IV.2.12. Association série –parallèle des batteries …….………………….......59

IV.3. Résultats de dimensionnement……………………………………………..59

Chapitre IV: Caractérisation et Dimensionnement du système

Conclusion………………………………………………………………………..60

Conclusion générale……………………………………………………………..61

Annexe

Bibliographie

Introduction

Générale

Introduction générale

1

De nos jours, une grande partie de la production mondiale d’énergie est assurée à

partir des énergies fossiles, la consommation de ces sources donne lieu à des émissions de gaz

à effet de serre et donc une augmentation de la pollution. Le danger supplémentaire est qu’une

consommation excessive du stock de ressources naturelles réduit les réserves de ce type

d’énergie de façon dangereuse pour les générations futures, et aussi face aux multiples crises

économiques et pétrolières la science s’est intéressée aux ressources dites renouvelables qui

constituent un secteur stratégique et occupent une place privilégiée dans les domaines de

recherche et développement.

Aujourd’hui on distingue plusieurs sources d’énergies renouvelables comme, l’énergie

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

l’énergie photovoltaïque. L’avantage principal de ces énergies renouvelables est que leurs

utilisations ne polluent pas l’atmosphère et elles ne produisent pas de gaz à effet de serre

comme le dioxyde de carbone et les oxydes d’azote qui sont responsables du réchauffement

de la terre

Le plus intéressants de l’utilisation de l’énergie solaire, est l’obtention de l’électricité

de façon directe et autonome à l’aide d’un matériel fiable et de durée de vie relativement

élevée, permettant une maintenance réduite. Les pays à fort ensoleillement pourraient devenir

les grands bénéficiaires de cette forme d’énergie. Le climat et la situation géographique de

l’Algérie ont pris place parmi les pays les plus avantagés en ce domaine. La wilaya de

Ouargla à un climat sec désertique est caractérisée par une aridité qui s'exprime par une

sécheresse permanente, l'irrégularité et la rareté des précipitations, l'insolation est

considérable. En effet, il dépasse dix heures par jour pendant plusieurs mois [1], ce qui nous

permet de classer la ville de Ouargla comme un site favorable pour les installations solaires.

De l’avis de beaucoup d’experts, l’hydrogène est l’une des sources d’énergie les plus

importantes du futur. L’hydrogène représente la forme énergétique la moins nocive pour

l’environnement. Muni d’un cycle énergétique fermé, il rentre dans divers applications, tels

que la production d’électricité, le chauffage des habitats

Introduction générale

2

Les réserves d’énergies fossiles étant très limités, l’hydrogène se présente comme un

excellent alternatif dans un premier temps et un substitut par la suite. Il peut jouer un rôle

même plus important que les énergies conventionnelles. En effet, il présente l’avantage

d’être non polluant et il peut utiliser les mêmes moyens de transport que les énergies

conventionnelles. Non seulement il peut subvenir aux besoins énergétiques locales mais il

peut aussi être une importante commodité d’exportation. Et pour atteindre cet objectif le but

de notre travail dans ce mémoire est de contribuer à une meilleure compréhension d’une

nouvelle technologie de production, de stockage et d’utilisation d’une énergie propre. Cette

étude est conçue pour susciter de futurs travaux dans ce domaine.

-Dans ce mémoire nous présentons une étude d’un système photovoltaïque autonome

à base d'hydrogène vert, basé sur la production et le stockage de l’hydrogène dans des

bouteilles de métal hybride pour faire fonctionner par la suite une pile à combustible de type

PEMFC, la production d’énergie électrique est assurée par les panneaux photovoltaïques.

Notre travail se décomposera en quatre chapitres principaux.

-Dans le première chapitre nous présentons les données climatiques et solaires de la

région d’étude ensuite nous calculons par simulation le rayonnement solaire au niveau des

panneaux solaires on utilisant les données climatiques et solaire de la région de Ouargla et

l’utilisation d’un programme exécuté sous MATLAB.

-Dans le deuxième chapitre nous exposons une étude générale sur les systèmes

photovoltaïques et les applications de ces systèmes.

-Le troisième chapitre est consacré à la présentation des technologies des systèmes à

hydrogène vert.

-Le chapitre quatre décrit La caractérisation expérimentale au niveau de laboratoire de

centre de recherche à l’université de Ouargla des éléments de système de pile à combustible

utilisé et finalement le dimensionnement des éléments du système a été présentée pour

satisfaire les besoins d’une charge d’éclairage d’une localité.

Enfin nous terminons ce travail par une conclusion générale.

CHAPITRE I

Chapitre I Donnes climatiques et solaire de la région d'étude

3

Introduction

Dans ce chapitre nous représentons les différentes données climatiques et solaires de la

région d’étude, ensuite nous calculons par simulation le rayonnement solaire au niveau des

panneaux solaires, par utilisation de modèle de « Liu et Jordan » qui est un modèle simple et

efficace pour le calcul de rayonnement global sur une surface horizontal ou inclinée. Une

application pratique sur la région d'Ouargla au sud de l’Algérie.

I Données climatiques

I.1 Situation de la région de Ouargla

La wilaya d'Ouargla est située au Nord Est du Sahara Septentrionale. Elle couvre une

superficie de 163.230 km2. Elle est distante de 850 Km de la capitale Alger. La cuvette de

Ouargla s’étend sur une superficie de 99000 Hectares ; avec une longueur de 45 Km dans la

direction sud-ouest, Nord-est et une largeur de 2 à 5 Km, 31° 57 N de latitude Nord et 5° 21’

de longitude Ouest .La région de Ouargla est limitée géo morphologiquement au sud par le

grand reg oriental, à l’ouest par la vallée du M’Zab et au Nord par la vallée de l’Oued Righ

[3].

Tableau (I-1):spécification du site de Ouargla [3]

31° 57N Latitude

5°21E Longitude

141 mètres Altitude

0.35 Albédo

I.2 Etude climatologique

I.2.1 La température

La connaissance de la température est décisive pour l'étude et l'utilisation de tout

système solaire.les données des températures calculées sur dix années d'observation (de 2004

à 2014).(Tab(I.2)) montrent que l'année en deux saisons, l'une froide avec une moyenne

minimale au mois de janvier (5.11 °C ),et l'autre chaude avec une moyenne maximale au mois

de juillet (43.71 °C) [2].


4

Tableau (I.2) les températures d'Ouargla [1]

Mois (°C) Tmax (°C) Tmin (°C) (Tmax+Tmin)/2(°C) (Tmax-Tmin) (°C)

Jan 18.77 5.11 11.94 13.67

Fév 21.08 6.83 13.96 14.25

Mar 25.81 10.99 18.4 14.81

Avr 30.38 15.26 22.81 15.12

Mai 34.89 19.75 27.32 15.13

Jun 40.28 24.81 32.54 15.47

Juil 43.71 28.21 35.96 15.5

Aout 42.84 27.54 35.20 15.3

Sep 37.75 23.51 30.63 14.23

Oct 32.18 17.61 24.89 14.57

Nev 24.16 10.46 17.31 13.7

Déc 19.23 6.02 12.62 13.21

I.2.2 L'humidité relative

L'humidité relative de l'air est le pourcentage de vapeur existant dans l'air par rapport

à la quantité maximale que peut contenir l'atmosphère dans les mêmes conditions de

température et de pression .Sur le tableau (I.3) j'ai représenté la variation de l'humidité

moyenne mensuelle, calculé sur dix années d'observation (de 2004 à 2014) [2].

Tableau (I.3) humidité relative moyenne mensuelle [1].

Mois Ja

n

Fé

v

Mar Av

r

Mai Ju

n

Juil Aou

t

Sep Oct Nev Déc

Hum

(%)

61 51 45.7 39 33.9 30 25.8 28.8 37.9 44.4 54.9 60.5

I.2.3 Le vent

La vitesse moyenne des vents est de 57.58 m/s. La fréquence et la force des vents

augmentent graduellement au mois de Mars et attend au maximum au mois d'avril avec une

vitesse de 72.2 m/s.


5

Tableau (I.4):les valeurs mensuelles moyennes des vitesses du vent pour Ouargla [1]

Mois Jan Fév Mar Avr Mai Jun Juil Aout Se

p

Oct Nev Dé

c

Vent

(m/s)

56 60.7 61 72.2 66.1 57.5 64.5 56 56 49 48 45

I.2.4 Précipitations

Les précipitations sont rares et irrégulières, leurs répartitions sont marquées par une

sècheresse presque absolue du mois de mai jusqu’au mois d’août. Les précipitations minimum

sont enregistrées au mois de juillet avec 0,32 mm et un maximum de 16,73 mm au mois

d'octobre. Le cumul des précipitations annuelles sur 11 ans (2004-2014) est de 51.41 mm

(Tab (I. 5)).

Tableau (I.5) : les précipitations de la région d'ouargla [1]

Mois Jan Fév Mar Avr Mai Jun Juil Aout Sep Oct Nev Déc

précip 9.10 0.64 4.3 2.11 1.47 0.74 0.32 1.7 3.56 16.73 6.56 4.18

I.2.5 L'évaporation

La région est caractérisée par une évaporation très importante. Elle est de

3033.62mm/an avec un minimum de 88,8 mm au mois décembre, le maximum enregistré est

de 464,44 mm au mois de Juillet (Tab (I.6)).

Tableau (I.6): l'évaporation moyenne mensuelle pour Ouargla [1]


Evap 90.7 129.2 204.5 254.5 327.6 399.8 464.4 419.9 299.6 230.6 124,9 88,8

I.2.6 L'insolation

A cause de la faible nébulosité de l'atmosphère, la quantité de lumière solaire est

relativement forte, ce qui à un effet desséchant en augmentant la température.

Les durées d'insolation sont évidemment très importantes au Sahara et varient assez

notablement d'une année à l'autre et même suivant les périodes de l'année envisagées. La


6

durée moyenne d’insolation est d’environ 269.64 heures, avec un maximum de 330.68 heures

en Aout et un minimum de 223.28 heures en décembre (Tab (I. 7)).

Tableau (I.7) : la moyenne mensuelle d'heures d'insolation pour ouargla [9]

mois Jan Fév Mar Avr Mai Jun Juil Aout Sep Oct Nev Déc

Insola(h) 244.77 241.84 259.09 280.9 301.03 253.2 327.18 330.68 259.05 265.28 249.68 223.28

II Données solaire

II.1 Soleil

Le soleil est une étoile de forme pseudo-sphérique dont le diamètre atteint 1 391 000

km .Il est situé à une distance moyenne de 149 598 000 km de la terre. [4]. Constituée de gaz ;

75 % d’hydrogène 23% d’hélium et 2% d’autres constituants de l’univers. Sa masse est de

1.99 10��kg et son rayon est de 696000 km .L’intérieur du soleil est le siège de réactions

thermonucléaires ; les atomes d’hydrogènes fusionnent pour former l’hélium en libérant une

énergie qui est délivré sous forme de radiations dans l’espace. La surface extérieure du soleil

nommée photosphère a une température équivalente à 5800. Dans cette couche la matière

absorbe le rayonnement en provenance des couches intérieures et le réémet vers l’extérieur.

Elle joue le rôle d’un corps noir.

Le corps noir est une entité théorique maintenue à une température constante qui

absorbe la totalité du rayonnement qu'elle reçoit, c'est un absorbeur de radiations

électromagnétiques à 100% sur toutes les longueurs d'ondes

L’intensité de la radiation d’un corps noir est calculée par la loi de Stafan-Bolzman

[5] : la quantité d'énergie solaire disponible en extérieur est aussi très variable d'un pays à

l'autre, d'une région à l'autre, d'une saison à l'autre .sur une journée complète, le soleil fournit

sur terre de 0 à 7 kWh/� � de rayonnement incident. Connaitre et quantifier précisément cette

énergie lumineuse est indispensable à la maitrise de l'énergie photovoltaïque [4].

II.2 Spectre de rayonnement solaire

Le spectre du soleil est sa décomposition en longueurs d'onde ou en couleurs comme

on l'a vu plus haut. La lumière solaire est en effet composée de touts sortes de rayonnement de

couleurs différentes, caractérisées par leur gamme de longueur d'onde. Son relation est [4]:


7

E= h.� =��

� (I.1)

h: est la constante de Planck.

�: La fréquence.

C : la vitesse de la lumière. , λ : la longueur d’onde.

La courbe standard de la répartition spectrale du rayonnement solaire extraterrestre

AM0, compilée selon les données recueillies par les satellites, est répartie comme suit:

Tableau (I.8): la répartition d'énergie en fonction de la longueur d'onde [4]

Ultra violet (UV) 0.20<�<0.38�� 6.4%

Visible 0.38<�<0.78�� 48.0%

Infrarouge (IR) 0.78<�<10�� 45.6%

La figure (I.1) montre l'atténuation observée après le passage à travers une épaisseur

d'atmosphère correspondant à une masse d'air 1.5, soit l'équivalent d'une hauteur du soleil de

41.8° au niveau de la mer. L'irradiance spectrale est le flux solaire pour une longueur d'onde

donnée (et donc une couleur donnée, en ce qui concerne la lumière visible).

Figure (I.1) : Spectre d'irradiante solaire.


8

II.3 caractéristique de rayonnement solaire

II.3.1 Rayonnement hors atmosphère

Le rayonnement solaire parvient à la limite de l’atmosphère terrestre après un trajet

dans l’espace d’environ 150.000.000 km, effectué en 8 minutes. Le flux de rayonnement

intercepté par un récepteur plan perpendiculaire à la direction du soleil produit sur celle-ci un

éclairement énergétique de l’ordre de 1353 W/m2 Ceci est connu sous le nom de constante

solaire » [6]. Cependant, la distance de la terre au soleil n’est pas constante tout au long de

l’année, il en résulte que le rayonnement extraterrestre oscille par un pourcentage de 3 %.

II.3.2 Influence de l'atmosphère

Les couches atmosphériques modifient profondément la distribution spectrale du

rayonnement solaire. Il subit une atténuation et une modification de son spectre, à la suite des

phénomènes complexes d’absorption et de diffusion par les poussières et les aérosols (les

poussières des cendres, des micros cristaux, des micros gouttelette, des fumées de pollution

industrielle dont la taille varie de 0.5 à 10 µm.) ainsi la couche d’ozone absorbe la majeure

partie du rayonnement ultraviolet, tandis que la vapeur d’eau absorbe le rayonnement

infrarouge [7].

II.3.3 Masse d'air

Plus le soleil est bas sur l'horizon, plus il va traverser une épaisseur importante

d'atmosphère et plus il va subir de transformation. On appelle «masse d'air», m, la masse

d'atmosphère traversée par le rayonnement direct pour atteindre le sol (par ciel clair), par

rapport à une traversée verticale au niveau de la mer (figure (I.2)) [4].

Figure (I.2): définition de masse d'air [4]


9

Cela dépend surtout de la hauteur angulaire du Soleil. À l'aide des points O, A, M et

l’angle h représentes à la figure, on écrit la longueur du trajet du soleil à traverse

l'atmosphère :

OM= ��

�� (I.2)

Soit: ��

�� =

�

�� on appelle m le rapport

sinh

1

II.4 cordonnées géographiques

Pour repérer un site donné à la surface terrestre, on définit les grandeurs suivantes :

II.4.1 La latitude �

C’est l’angle Ψ que fait la verticale du lieu avec le plan équatorial. Si Ψ > 0, le site se

trouve dans l’hémisphère nord, sinon le site est dans l’hémisphère sud.

II.4.2 La longitude �

C’est l’angle φ formé par le méridien de Greenwich et le méridien du lieu considéré.

La longitude est comprise entre -180 (vers l’ouest) et +180 (vers l’est). Comme la terre met

24 heures pour faire un tour sur elle même (360°), chaque heure représente 15° d'écart de

longitude et donc, chaque degré de longitude représente 4 minutes.

II.4.3 L'altitude

C’est la distance verticale exprimé en mètres, séparant le point considéré du relief

terrestre du niveau de la mer, pris comme surface de référence.

II.5 Position de soleil et le temps

II.5.1 Position de soleil

Rappelons quelques définitions et équations donnant la position du soleil

II.5.1.1 Déclinaison solaire (�)

La déclinaison est l’angle que fait le soleil au maximum de sa course (midi solaire) par

rapport au plan équatorial. Sa valeur en degrés est donnée par l’équation de Cooper:


10

� = 23.45.sin(2��

��) (I.3)

Où : n est le numéro de jour dans l’année (c.-à-d. n =1 pour le 1er janvier, n =32

pour le 1erfévrier… etc.). La déclinaison varie entre -23.45° (le 21 décembre) et +23.45° (le

21 juin).

II.5.1.2 L’angle horaire (�)

C’est l’angle formé entre le plan méridien passant par le soleil et le plan méridien du

lieu obtenu par le déplacement angulaire du soleil auteur de l’axe polaire, dans sa course d’Est

en Ouest, par rapport au méridien local.

La valeur de l’angle est nulle à midi solaire, négative le matin, positive en après midi

et augmente de 15° par heure (donc un tour de 360° en 24 heures).

Figure (I.3): le mouvement de la terre autour de soleil [8]

II.5.1.3 Hauteur de soleil(h)

Angle que fait la direction du soleil avec sa projection sur le plan horizontal. Cette

angle s’annule au lever et au cocher du soleil et prend sa valeur maximale au midi solaire [2].

sin(h)= sinΨ.sin� + cosΨ.cos�.cos� (I.4)

L’angle horaire � au lever de soleil s’obtient en écrivant sin(h)= 0[2]

Avec:


11

Ψ: Latitude du lieu

�: La déclinaison du soleil

�:L'angle horaire

II.5.1.4 Azimut du soleil (�)

Angle que fait la projection de la direction du soleil avec la direction du sud. Cet

angle étant orienté positivement vers l’Ouest. [2]

sin(�)=��(�)��(�)

��(�) (I.5)

II.5.2 Temps solaires

II.5.2.1 Temps solaire moyenne

La vitesse de la terre sur son orbite n’est pas constante au cours de l’année. Pour avoir

un temps qui s’écoule à vitesse constante celui mesuré par les horloges, on définit

donc un temps solaire moyen TSM. Le temps solaire moyen est basé sur un soleil

moyen fictif qui se déplacerait à vitesse constante tout au long de l'année. C'est le

temps qui sépare en moyenne deux passages successifs du soleil au méridien du lieu,

la journée solaire moyenne a une durée de 1 jour = 24h 00m 00s. La durée d'un jour

solaire moyen est de 24 heures quel que soit le jour de l'année [3].

II.5.2.2 Temps solaire vrai

Le temps solaire vrai ou apparent noté TSV c'est le temps indiqué sur les cadrans

solaires. Il est basé sur le jour solaire apparent, qui est la durée entre deux retours

successifs du Soleil au méridien local. Cette durée varie tout au long de l'année pour

deux raisons :

- L'inclinaison de l'axe de la Terre par rapport au plan de l'écliptique.

- L'excentricité de l'orbite de la Terre.

A cause de ces particularités, les jours solaires apparents sont plus courts en mars et

septembre qu'en juin et décembre. Par définition le temps solaire vrai TSV en un lieu

c'est l'angle horaire en ce lieu et à cet instant est donné comme suit :


12

TSV=12 + (�

��) (I.6)

Avec :

TSV est en heures.

H est en degrés.

TSV = 12h

Pour la valeur nulle de l’angle horaire (c’est-à-dire midi). L’écart entre TSV et TSM

varie selon la date, mais est nul en moyenne. L’expression de cet écart porte le nom de "

Equation du temps " [3].

II.5.2.3 Temps universel (TU)

C'est le temps solaire moyen du méridien fondamental (méridien de Greenwich). Pour

un lieu de longitude� on a:

TSM=TU�

�� (I.7)

Avec: � en degrés

II.5.2.4 Equation du temps

La différence entre le temps solaire moyen et le temps solaire apparent est appelée

l'équation du temps. Sur Terre, elle varie entre 17 minutes en moins et 14 minutes en plus:

ET =TSV - TSM L'équation du temps peut être approchée par la formule suivante [9]:

Et(N) = 9.87 sin 2N' - 7.53 cos N' - 1.5 sin N' (I.8)

Avec :

Et est exprimée en minutes

N' = (360/365)( N -81) exprimée en radians

N numéro du jour de l'année (N = 1 le premier janvier).

II.5.2.5 Temps légal TL

C'est l'heure officielle d’un état; c'est l'heure du fuseau horaire. La terre est divisée en

24 fuseaux de 15° de large centré sur les méridiens dont la longitude est multiple de 15:

TL = TU + DE (I.9)

Avec :


13

DE: décalage horaire par rapport au méridien de Greenwich

DE = TL (pour midi TU) - 12 (I.10)

Exemple :

En Algérie il est 13h à midi TU (12) alors :

DE = 13 – 12 = 1 h (I.11)

On dit que l'heure légal de l'Algérie est (TU+1).pour un lieu de longitude � donnée, il

existe ainsi une correspondance direct entre le TL et l'angle horaire � du soleil:

� = � + 15(�� + �� 12 ��) (I.12)

Où � et� en degrés, TL et ET sont exprimé en heures [3]

II.6 Rayonnement solaire au niveau de sol

Après avoir traversé l'atmosphère, une partie du rayonnement incident parvient

directement au sol, l'autre sera diffusé, une autre composante du rayonnement est mise en

évidence, c'est la partie renvoyée vers l'atmosphère après réflexion diffusée par le sol, et qui

varie en fonction du sol et de son état.

Quelle que soit la surface réceptrice, le rayonnement global incident est la somme des

rayonnements direct et diffus parvenant à cette surface (figure I.4) [10].

Figure (I.4): Bilan du rayonnement solaire au niveau de sol [10]


14

II.7 Rayonnement solaire en Algérie

L'Algérie en égard de sa situation géographique constitue sur le globe terrestre une

zone qui est particulièrement bien ensoleillée.

En effet les estimations faites sur la base des relevées météorologiques donnent les

résultats suivants: les durées d'ensoleillement moyen varient de 2650heure/an dans le nord à

3500 heure/an dans le sud

Les quantités d'énergie reçues sur une surface horizontale vont de 1700 kWh/� �/��

au nord à 2260 kWh/� �/an dans le sud [11]

Le territoire algérien est partagé en huit zones énergétiques ou zones homogènes

d'ensoleillement [3]

La zone de ouargla est la station solaire numéro 22, elle est dans la zone énergétique

Z.E 4 elle a les coordonnées suivantes:

-Latitude 31°57′� -longitude : 5°24' E

- Altitude : 141 m -Albédo:0.35


15

Tableau(I.9) : listes des stations par zones énergétique

II.8 calcul de l’irradiation solaire

II.8.1 La durée et le taux d’insolation

Par ciel claire et pendant la durée de jour d’ensoleillement �� (de lever au coucher

du soleil), le sol reçoit le rayonnement solaire maximal. Mais la durée effective

d’ensoleillement S d’une journée ordinaire est inférieure à cette durée maximale. Le taux

d’insolation est donné par l’expression [3]

� =�

�� (I.13)

La durée maximale�� est calculée par l’expression suivante

�� = (�

��)cos��( ��) (I.14)

Avec :

� : La déclinaison

�: Latitudedulieu

II.8.2 L’éclairement

L’éclairement extraterrestre à la limite supérieure hors atmosphère, sur un plan

horizontal, est calculé à partir de la constante solaire�� et du facteur de correction de la

distance [12].

I=�� 1 + 0.034cos��

�� (cos�.cos�.cos� + sin�.sin�)[�/� �] (I.15)

Avec :


16

n: Le numéro de jour de l’année (n=1 pour le premier janvier, …etc.)

��:Laconstantesolaire, �� = ��[�

��] (I.16)

II.8.3 L’irradiation horaire

Pour une heure donnée, l’énergie reçue sur une surface horizontale se calcule par

l’intégration de l’équation (I.15) entre deux angles horaires �� et �� On obtient l’équation

suivante :

��=��.��

�� 1 + 0.034cos

��

�� (cos�.cos�.(sin�� sin��)+(��)sin�.sin�) (I.17)

��: est exprimée en [�

�� . ]

II.8.4 L’irradiation journalière

Pour un jour n donné, l’énergie reçue sur une surface horizontale H est obtenue par

l’intégration de l’équation (I.15) (de lever au coucher du soleil). On obtient [6] :

��

�� 1 + 0.034cos2�

�

�� (cos�.cos�.cos� + sin�.sin�) (I.18)

Avec l’angle solaire �� = cos��( tan� tan�)

��: Laconstantesolaire[�

��]

�:La déclinaison du soleil.

�:Latitudedelieu.

n: Le numéro de jour de l’année compte à partir du le premier janvier

II.8.5 L’irradiation journalière moyenne mensuelle hors atmosphère

Le jour type du mois

Pour une grandeur donnée, le jour type du mois est le jour du mois qui se rapprochant

de la moyenne mensuelle de cette grandeur. La liste des jours types proposés par Klein [12]

est représentée sur le tableau suivant :


17

Tableau(I.10) : Liste des jours types par mois proposés par Klein [12]


Jour

type

17 16 16 15 15 11 17 16 15 15 14 10

N° de

jour

17 47 75 105 135 162 198 228 258 288 318 344

Pour calculer l’irradiation journalière moyenne mensuelle, nous avons utilisé

l’équation (1.18) et par l'utilisation de résultats de tableau de �� et la formule ��b+c��=��

��

nous avons calculé l'irradiation globale hors atmosphère pour la région d'ouargla, avec n : Le

numéro de jour type du mois. Les résultats sont présentés dans le tableau suivant:

Tableau(I.11) : Valeurs de l’irradiation journalière moyenne mensuelle hors

atmosphère.

Mois N° de jour �(°) ��[

��

�� ]

Jan 17 -20.9 6503

Fév 47 -12.5 6257

Mar 75 -2.0 6354

Avr 105 9.6 6620

Mai 135 18.7 7050

Jun 162 23.1 6591

Juil 198 21.3 7409

Aout 228 14.0 7212

Sep 258 3.3 6362

Oct 288 -8.3 6509

Nev 318 -18.1 6497

Déc 344 -22.9 6072

II.9 Le rayonnement solaire en présence de l’atmosphère

Avant d’atteindre le sol, le rayonnement solaire subit des phénomènes de diffusion et

d’absorption par les molécules gazeuse, les aérosols, les gouttelettes et les poussières divers

en suspension. Le rayonnement absorbé est transformé en chaleur et disparait du bilan


18

utilisable au sol. Le rayonnement solaire reçu au sol est composé du rayonnement direct et

réfléchi. Le diffus est lui-même décomposé en :

Diffus provenant du ciel.

Diffus provenant du sol.

L’ensemble du rayonnement direct et diffus représente le rayonnement global.

II.9.1 L’indice de clarté

Le rapport entre le rayonnement au sol et le rayonnement extraterrestre est appelé

indice de clarté. Les valeurs de ce dernier varient selon les endroits et les saisons :

Indice de clarté horaire :�� =�

�� (I.19)

Indice de clarté journalière :�� =�

�� (I.20)

Indice de clarté moyenne mensuelle :�� =��

�� (I.21)

Les données�,�, �� sont les valeurs mesurées de L'irradiation globale (horaire,

journalière et moyenne journalière) sur une surface horizontale. Ces données sont

généralement disponibles et peuvent être mesurées par Pyranomètre.

Cependant,��,��peuvent être calculées par des formules connues.

II.9.2 Estimation de L'irradiation diffuse sur une surface horizontale

A partir de la mesure de la moyenne mensuelle de L'irradiation journalière globale, on

estime L'irradiation diffuse journalière moyenne par la corrélation de Beckman :

��

��= ��= a+b.�� (I.22)

Pour le Sahara Algérienne �� = 0.91� = 0.98

� [12]


19

II.9.3 Calcul de L'irradiation globale journalière mensuelle sur une surface

horizontale

On se basant sur les données mesurées durant les années 2004 à 2014 par la station

météo d'Ouargla [1], on obtient :

Tableau(I.12): Valeurs moyenne mensuelle d’insolation journalière

Mois Jan Fév Mars Avr Mai Jun Juil Aout Sép Oct Nev Déc

��(�) 8.16 8.06 8.64 9.36 10.03 8.44 10.90 11.02 8.97 8.84 8.32 7.44

��(�) 9.89 10.58 11.55 12.52 13.28 13.74 13.50 12.82 11.85 10.88 10.12 9.66

�� 0.82 0.76 0.75 0.78 0.76 0.61 0.81 0.86 0.57 0.81 0.82 0.77

Avec :

�̅(h):La durée d’insolation moyenne journalière (mesurée)

�� (h):La durée astronomique du jour (calculer par la relation (I.14))

Le taux d’insolation est calculé par :

�� =��

�� (I.23)

D’après la formule de black, l’indice de clarté est obtenu par :

��b+c��=��

�� (I.24)

Les valeurs des constantes b et c sont données par Beckman [12] pour la région

saharienne en Algérie :

�� = 0.3� = 0.46

�

Tableau (I.13) : Les valeurs de L'irradiation globale journalière mensuelle sur une

surface horizontale à Ouargla.


�� 0.59 0.61 0.61 0.60 0.58 0.57 0.64 0.62 0.57 0.58 0.58 0.59


20

Figure (I.5) : L’irradiation moyenne sur un plan horizontal à Ouargla

II.9.4 Calcul de L'irradiation globale journalière mensuelle sur une surface

inclinée

Les panneaux solaires peuvent être installés au sol ou sur la toiture orientés vers le sud

et à l’ écart des zones ombragées. Ils devraient présenter un angle de telle sorte que la

surface de captation soit perpendiculaire au rayonnement solaire. Pour la conception des

systèmes solaires, nous avons besoins de la moyenne journalière mensuelle de l’irradiation

incidente sur un plan du capteur�� En utilisant le modèle de LIU et JORDAN, le Calcul de H

est donné par l’équation suivante [12]:

�� = ��

��.��+��

��(��

�)+ �.��.(

��

�) (I.25)

Avec:

��:Facture de conversion donné par :

��=

��(��).��.��′ ��

′ ��(��)��

��.��.��.��.�� (I.26)

��:La composante diffuse (calculer par):

��:La composante directe��

��=�� -��

� : L’albédo au sol

� : L’angle d’inclinaison

��:L’angle horaire du coucher de soleil sur le plan horizontal

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 123000

4000

5000

6000

7000

8000

Mois

H(W

h/m

2.j)


21

��′ : L’angle horaire du coucher de soleil sur le plan incliné

��′ = ��[��, cos

��( tan(Ψ �)tan�)] (I.27)

�� = cos��( tan(� tan�) (I.28)

a) Inclinaison optimal d’un panneau solaire

Pour calculer l’angle d’inclinaison optimal pour une irradiation maximale reçue sur un

capteur incliné à la région de Ouargla, on fait varier l’angle d’inclinaison dans le jour type du

mois afin d’identifier l’angle pour laquelle l’énergie reçue attient sa valeur maximale. Par

l’utilisation d’un programme réalisé sous Matlab [2] basé sur les équations ((I.18) et (I.25)) et

avec l’introduction des donnes climatiques et géographiques de la région de Ouargla, nous

avons reçu les résultats des angles optimales pour chaque moins avec l’énergie maximale

correspondante, qui sont représenté sur le tableau (1.14) ci-dessous.

Tableau 1.14 : Les valeurs de l’irradiation globale journalière mensuelle pour

une inclinaison optimale à Ouargla

Figure (I.6): les rayons solaires sur un plan incliné


�� 60 50 36 16 -1 -8 -5 10 28 46 58 62

��[��/

��.j] 6503 6257 6354 6619 7049 6591 7409 7212 6362 6509 6497 6077

Chapitre I

Figure (I.7):Angles optimum mensuelle d'un panneau solaire

II.10 Appareils de mesure

II.10.1 Mesure de la fraction

La durée d'insolation est mesurée à l'aide d'

appareil simple constitué d'une sphère de verre focalisant les rayons du

de papier graduée en heures. Ce papier spécial est brûlé l

l'éclairement du rayonnement direct est supérieur à 120

II.10.2 Mesure du rayonnement solaire global

On mesure la puissance du

grâce à un Pyranomètre

verre, une thermopile (série de thermocouples) et un système

électromotrice produite par cette thermop

II.10.3 Mesure du rayonnement direct

Les radiations solaires directes peuvent être mesurées par un Pyrheliometre

(I.11) [13].

Donnes climatiques et solaire de la région d'étude

):Angles optimum mensuelle d'un panneau solaire

de mesure

Mesure de la fraction d'insolation

La durée d'insolation est mesurée à l'aide d'un héliographe figure (

appareil simple constitué d'une sphère de verre focalisant les rayons du

de papier graduée en heures. Ce papier spécial est brûlé lorsque le soleil brille et lorsque

l'éclairement du rayonnement direct est supérieur à 120 �/�� [3].

Mesure du rayonnement solaire global

On mesure la puissance du rayonnement solaire globale sur une surface

ce à un Pyranomètre figure(I.10). Un Pyranomètre comprend une

ile (série de thermocouples) et un système d’enregistrement de la force

rice produite par cette thermopile sous l’action d’un rayonnement

Mesure du rayonnement direct

Les radiations solaires directes peuvent être mesurées par un Pyrheliometre

Donnes climatiques et solaire de la région d'étude

22

):Angles optimum mensuelle d'un panneau solaire à Ouargla

figure ((I.8) (1.9)), c'est un

appareil simple constitué d'une sphère de verre focalisant les rayons du soleil sur une bande

le soleil brille et lorsque

solaire globale sur une surface horizontale

comprend une double coupelle de

d’enregistrement de la force

l’action d’un rayonnement [13].

Les radiations solaires directes peuvent être mesurées par un Pyrheliometre Figure


23

Figure (I.8): Héliographe de figure (I.9): Héliographe à fibres optique

Campbell-Stokes

Figure(I.10) : Pyranomètre Figure (I.11) : Pyrhéliomètre

Conclusion

La région d’Ouargla est située dans une zone saharienne, son climat sec désertique est

caractérisé par une aridité qui s'exprime par une sécheresse permanente, l'irrégularité et la

rareté des précipitations.

Dans ce chapitre nous avons présenté les données climatiques de la région d’étude,

avec des rappelés sur quelques notions sur le rayonnement solaire. Nous avons constaté que

l'insolation est considérable à Ouargla, en effet, il dépasse dix heures par jour pendant

plusieurs mois, ce qui nous permet de classer la ville d’Ouargla comme un site favorable pour

les installations solaires.

CHAPITRE II

Chapitre II Généralité sur les systèmes photovoltaïques

24

Introduction

La conversion photovoltaïque est l’un des modes les plus intéressants d’utilisation de

l’énergie solaire. Elle permet d’obtenir de l’électricité de façon directe et autonome à l’aide

d’un matériel fiable et de durée de vie relativement élevée, permettant une maintenance

réduite. Les pays à fort ensoleillement pourraient devenir les grands bénéficiaires de cette

forme d’énergie. Le climat et la situation géographique de l’Algérie ont pris place parmi les

pays les plus avantagés en ce domaine [14].

L'énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation direct d'une partie du

rayonnement solaire en énergie électrique .Cette conversion d'énergie s'effectue par

l'ensemble de cellules dites photovoltaïques (PV), basé sur un phénomène physique appelé

effet photovoltaïque, qui consiste à produire une force électromotrice lorsque la surface de

cette cellule est exposée à la lumière (une énergie suffisante). La tension générée peut varier

en fonction du matériau utilisé pour la fabrication de la cellule. L'association de plusieurs

cellules (PV) en série /parallèle donne lieu à un module photovoltaïque

II.1. Historique de l'énergie photovoltaïque

L'effet photovoltaïque a été mis en évidence pour la première fois par Edmonde Becquerel en

1839, il découvrit que certains matériaux délivraient une petite quantité d'électricité quand ils

étaient exposés à la lumière. Albert Einstein expliqua le phénomène photoélectrique 1912,

mais il fallut attendre le début des années 50 pour sa mise en application pratique dans la

réalisation d'une cellule PV en silicium d'un rendement 4.5% [15].

En 1954, avec la réalisation des premières cellules photovoltaïque au sélénium dans

les laboratoires de la compagnie Bell Téléphone, que l'on entrevoit la possibilité de fournie de

l'énergie. Très rapidement utilisées pour l'alimentation des véhicules spatiaux. Leur

développement et de rapides progrès ont été motivés par la conquête de l'espace. Au cours des

années 80, la technologie photovoltaïque terrestre a progressé régulièrement par la mise en

place de plusieurs centrales de quelques mégawatts, et même devenue familière des

consommateurs à travers de nombreux produit de faible puissance [16]

Chapitre II

II.1 Le principe de la conversion

Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet

Photovoltaïque qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surf

cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 et 0.7 V en fonction

du matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température de la cellule. La figure

(II.1) illustre une cellule PV typique.

Figure (II.1) : principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique par

Une cellule PV est réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopée P (dopée

au Bore) et l’autre dopée N (dopée au phosphore), créant ainsi un

barrière de potentiel.

Lorsque les photons sont absorbés par les semi

énergies aux atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons (charges N) et des trous

(charges P) créent alors une d

potentiel est mesurable entre les connections des bornes positive et négative de la cellule.

La tension maximale de le cellule est d’environ 0.6 V pour un courant nul, cette

tension est nommée tension de circuit ouvert

bornes de la cellule sont court

fortement du niveau d’éclairement.

Chapitre II Généralité sur les système

Le principe de la conversion photovoltaïque


qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surf

est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 et 0.7 V en fonction

matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température de la cellule. La figure

illustre une cellule PV typique.

) : principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique par

cellule photovoltaïque [17]


Bore) et l’autre dopée N (dopée au phosphore), créant ainsi un

Lorsque les photons sont absorbés par les semi-conducteurs, ils transmettent leurs

atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons (charges N) et des trous

créent alors une différence de potentiel entre les deux couches. Cette différence de

mesurable entre les connections des bornes positive et négative de la cellule.


nommée tension de circuit ouvert �� Le courant maximal se produit lorsque les

cellule sont court-circuitées ; il est appelé courant de court

fortement du niveau d’éclairement.

systèmes photovoltaïques

25


qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette

est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 et 0.7 V en fonction

matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température de la cellule. La figure

) : principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique par


Bore) et l’autre dopée N (dopée au phosphore), créant ainsi une jonction PN avec une

conducteurs, ils transmettent leurs

atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons (charges N) et des trous

ifférence de potentiel entre les deux couches. Cette différence de

mesurable entre les connections des bornes positive et négative de la cellule.


Le courant maximal se produit lorsque les

circuitées ; il est appelé courant de court-circuit�� et dépend


26

II.2.1.La cellule photovoltaïque

La cellule solaire aux performances électriques les plus faibles impose son courant de

court–circuit dans le montage série et sa tension de circuit ouvert dans le montage parallèle.

Dans les conditions de court circuit, lorsqu’une cellule est défectueuse la tension à ses bornes

s’inverse elle devient égale et opposée à la tension des autres cellules en série. Cette dernière

va constituer une charge par rapport aux autres cellules et va être le siège d’une dissipation

thermique relativement élevée constituant ce qu’on appelle communément le phénomène de

points chauds [18]

II.2.2.Le silicium et ses propriétés

La majorité des cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir du silicium cristallin,

car il possède la caractéristique d'être non toxique contrairement au cadmium ou au sélénium.

En plus, il permet d'atteindre des efficacités de conversion remarquables. Le silicium

constitue environ 28% de l'écorce terrestre sous forme de composés (silicates, silice), ce qui

en fait une source quasi inépuisable [19]

II.2.3.Technologies des cellules photovoltaïques

Il existe différentes technologies constituant les cellules photovoltaïques illustrées par

la figure suivante :

Figure(II.2) : Différentes techniques de cellules photovoltaïques

On distingue les trois catégories principales qui se disputent le marché. Ils ont des

caractéristiques, des durées de vie, et des sensibilités différentes [20] (Tab. II .1)


27

a) Silicium polycristallin :

Il est constitué de plusieurs monocristaux juxtaposés dans différentes orientations

donnant à la cellule un aspect mosaïque. Le silicium polycristallin est la technologie la plus

répandue sur le marché mondial en raison de son bon rendement (environ 15 %) pour des

coûts de fabrication maîtrisés. Il offre actuellement un bon rapport qualité/prix.

b) Silicium monocristallin

Il est constitué d'un seul cristal offrant à la cellule un arrangement parfait des atomes.

Il présente un rendement légèrement supérieur au silicium polycristallin (environ 19%).

Néanmoins, il reste assez onéreux en raison de son exigence de grande pureté et de

l'importante quantité d'énergie nécessaire à sa fabrication.

c) Silicium amorphe en couche mince

Les cellules amorphes sont utilisées partout où une solution économique est

recherchée ou lorsque très peu d'électricité est nécessaire. Elles se caractérisent par un fort

coefficient d'absorption, ce qui autorise de très faibles épaisseurs, de l'ordre du micron. Par

contre son rendement de conversion est faible (de 7 à 10 %) et les cellules ont tendance à se

dégrader plus rapidement sous la lumière [21].


28

Tabule (II.1) : Classification de différents types de cellules photovoltaïques au silicium

[22].

II.2.4.Le rendement :

On appelle le rendement " η "de conversion de la cellule le rapport entre la

puissance électrique maximale fournie par la cellule et la puissance lumineuse qu'elle reçoit.

η = ��

�.� (II.1)

S : la surface de la cellule en ��

G : l'éclairement en w/��

Tableau (II.2) : Rendement énergétique des différents types de cellules photovoltaïques

[22]

Type de

cellules

Rendement

maximale

des cellules

Rendement des

cellules

commercialisées

Notes

Silicium cristallin

monocristallin

24% 11-17%

Technologie

parfaitement maitrisée

(35%de la production


29

mondiale en 2007 )

poly cristallin 20% 11-15%

Technologie


(45%de la production

mondiale en 2007 )

Ruban 19% 7-13% Technologie


Couche mince

Silicium amorphe 13% 4-8% Dégradation initiale du

rendement

Silicium amorphe Multi-

jonction

Tellure de cadmium

12%

17%

6-9%

7-8.5%

Comme le silicium

amorphe-flexible

Cuivre / Indium/

Gallium/sélénium(CIGS) 21% 9-11%

Module PV à pigments

photosensibles et

organiques (à encre)

12% 3-5% Relativement rares

Autres types

Hybride HIT 25% 17%

Combinaison de silicium

amorphe et de silicium

cristallin

II.2.5. Caractéristiques électriques et paramètres de la cellule photovoltaïque :

II.2.5.1. La caractéristique courant-tension

La (Figure II.3) représente une caractéristique courant-tension I(V) dans l’obscurité et

sous illumination typique d’une cellule photovoltaïque. Le tracé de cette courbe permet

d’accéder à bon nombre de paramètres physiques caractéristiques du composant. Les premiers

paramètres qui apparaissent sur la caractéristique courant-tension d’une cellule photovoltaïque

sont : le courant de court-circuit (Icc), la tension à circuit ouvert (Vco) et le facteur de forme

(FF) du composant. [23]

Chapitre II

Figure (II.3):

a) Caractéristique (J

La caractéristique J

Figure (II.4) : Le schéma électrique équivalent d’une cellule solaire idéal.

Tel que :

Jph est la densité de photo

élémentaire de l’électron.

�� =�.�

� : est la potentielle thermodynamique,

Si la cellule est en court

court-circuit donné par :


): Caractéristique courant-tension d’une ce

Caractéristique (J-V) idéal

La caractéristique J-V idéale d’une cellule solaire photovoltaïque est donnée par

� = ��

�.�� 1�

: Le schéma électrique équivalent d’une cellule solaire idéal.

est la densité de photo-courant, k est la constante de Boltzmann et q la charge

élémentaire de l’électron.

la potentielle thermodynamique, n = facteur d'idéalité

Si la cellule est en court-circuit c’est à dire (V=0 et J =��) on obtient le courant de

circuit donné par :


30

cellule PV [23]

V idéale d’une cellule solaire photovoltaïque est donnée par :

�

: Le schéma électrique équivalent d’une cellule solaire idéal. [23]

est la constante de Boltzmann et q la charge

= facteur d'idéalité 1≤ � ≤ �

) on obtient le courant de

(II.2)


31

�� = ��

Autrement, si la cellule est en circuit ouvert c'est-à-dire (V = Vco et J = 0) on trouve la

tension de circuit ouvert donnée par :

�� = �. ��. ��

��+ 1�

Entre le point ( J , V ) = (�� , 0) et le point ( J , V ) = ( 0 , �� ) on représente la

caractéristique J-V. Parallèlement de cette représentation, on calcule la puissance maximale

donnée par :

�� = (�. �)��

Et par conséquent, on peut facilement déduire le facteur de forme et le rendement de

conversion, qui sont données respectivement par :

�� =��

��

� =��

��

b) Caractéristique J–V réelle

Figure (II.5) : Le schéma électrique équivalent d’une cellule solaire réel. [23]

Dans les cellules solaires réelles, le schéma équivalent doit être modifié pour inclure la

résistance série, Rs, (résistance de perte ohmique dans la surface frontale) et la résistance

shunte, Rsh, (résistance de courant de fuite), d’où l’équation caractéristique devient:

sh

sUn

JRV

sphR

JRVeJJJ t

s

1.

Si V = 0 alors J = Jsc , donc l’équation devient :

(II.8)

(II.3)

(II.4)

(II.5)

(II.6)

(II.7)


32

sh

scsQU

JR

sphscR

JReJJJ t

scs

1

Cette équation est une équation non linéaire qu’on peut résoudre numériquement.

Aussi si J = 0 alors V = Vco, donc l’équation devient :

01

sh

coQU

V

sphR

VeJJ t

co

Comme cette équation est non linéaire, alors elle admet une solution numérique qui est la

tension de circuit ouvert, Vco.

De la même manière que le cas précédente on peut calculer la puissance maximale, Pm,

le facteur de forme, FF et le rendement de conversion, η.

II.3. Le générateur photovoltaïque

Le générateur photovoltaïque est un assemblage de cellules solaire qui fournit l'énergie

électrique à l'utilisation finale, en d'autre terme c'est l'ensemble des modules dans les quels

sont interconnectés plusieurs cellules photovoltaïques [2]

II.3.1. Le Module photovoltaïque

Un module est un assemblage de cellules permettent d'obtenir une énergie exploitable,

sous tension utilisable. Pour une tension pratique à utiliser, un module (P.V) contient

généralement de 33 à 72 cellules (P.V) et les éléments essentiels concernant la connexion

électrique avec l'extérieur [24].

(II.9)

(II.10)


33

Figure (II.6): Un module photovoltaïque

Montage en série

Dans un groupement de ns cellules en série, toutes sont traversées par un même

courant. La Figure (II-11) montre la caractéristique résultante (Iscc, Vsco) d'un tel

groupement dans des conditions idéales, obtenue pour ns cellules identiques (Icc, Vco) en

sommant les caractéristiques élémentaires à courant constant :

�� = ns × �� (II.11)

Figure (II.7) : Caractéristiques de groupement série des cellules

Chapitre II

Montage en parallèle

En additionnant les modules identiques en parallèle, la tension de la branche est égale

à la tension de chaque module et l'intensit

modules en parallèle dans la branche

Figure (II.8) : Cara

II.3.2.Influence de l’éclairement sur les modules photovoltaïques

La figure (II.9

d’éclairement

Figure (II.9) : Caractéristique d’un générateur photovoltaïque pour différents

On remarque que la valeur du courant de court circuit est directement

proportionnelle à l’intensité du rayonnement

pas dans les mêmes proportions, elle reste quasiment identique même à faible

éclairement.


Montage en parallèle


à la tension de chaque module et l'intensité augmente proportionnellement au nombre de

modules en parallèle dans la branche.

) : Caractéristiques de groupement parallèle

Influence de l’éclairement sur les modules photovoltaïques

II.9) présente un exemple des courbes (I, V) pour différents niveaux

: Caractéristique d’un générateur photovoltaïque pour différents

éclairements


à l’intensité du rayonnement. Par contre, la tension en circuit ouvert ne



34


é augmente proportionnellement au nombre de

ctéristiques de groupement parallèle des cellules

Influence de l’éclairement sur les modules photovoltaïques

) pour différents niveaux

: Caractéristique d’un générateur photovoltaïque pour différents


. Par contre, la tension en circuit ouvert ne varie


Chapitre II

II.3.3.Influence de la température sur les modules photov

La figure (II.10)

de fonctionnement:

Figure (II.10) : Influence de la température sur la caractéristique électrique

On remarque que la température à une influence négligea

de court-circuit. Par contre, la tension en circuit ouvert baisse assez fortement lorsque la

température augmente, par conséquent la puissance extractible diminue. Lors du

dimensionnement d’une installation, la variation d

impérativement à prendre en compte

II.4. Les batteries

Les batteries sont des dispositifs qui ont la capacité de transformer directement une

énergie chimique en une énergie électrique, à travers une réaction d’

cas des piles (batteries primaires), la réaction chimique est irréversible et la décharge peut

avoir lieu une seule et unique fois. Le terme d’accumulateur (batterie secondaire) est utilisé

lorsque la réaction chimique est réversible, permettant

plusieurs fois. Pour calcul la capacité (

:

II.4.1.Types des batteries

Il existe plusieurs types de stockage dans le système PV, les puissances rencontrées

sont inférieures au MW, le seul stockage d’énergie électrique possible est le stockage


Influence de la température sur les modules photovoltaïques

) présente des courbes courant-tension pour différentes

: Influence de la température sur la caractéristique électrique

On remarque que la température à une influence négligeable

circuit. Par contre, la tension en circuit ouvert baisse assez fortement lorsque la


dimensionnement d’une installation, la variation de la température du site

impérativement à prendre en compte.

Les batteries


chimique en une énergie électrique, à travers une réaction d’

piles (batteries primaires), la réaction chimique est irréversible et la décharge peut

seule et unique fois. Le terme d’accumulateur (batterie secondaire) est utilisé

chimique est réversible, permettant au dispositif d’être chargé et déchargé

Pour calcul la capacité (��) de la batterie en appliquant la formule

��(��)= (�� × �)/(� × ��)

batteries utilisés dans les systèmes PV


inférieures au MW, le seul stockage d’énergie électrique possible est le stockage


35

oltaïques

tension pour différentes températures

: Influence de la température sur la caractéristique électrique

ble sur la valeur du courant

circuit. Par contre, la tension en circuit ouvert baisse assez fortement lorsque la


e la température du site sera


chimique en une énergie électrique, à travers une réaction d’oxydoréduction. Dans le

piles (batteries primaires), la réaction chimique est irréversible et la décharge peut

seule et unique fois. Le terme d’accumulateur (batterie secondaire) est utilisé

au dispositif d’être chargé et déchargé

de la batterie en appliquant la formule suivant [28]

(II.12)


inférieures au MW, le seul stockage d’énergie électrique possible est le stockage


36

électrochimique. Les principaux types d’accumulateurs utilisés actuellement dans le système

photovoltaïque sont

Les batteries au plomb, actuellement les mieux adaptées

Les systèmes autonomes utiliseront des batteries au plomb à plaques planes de type

démarrage pour les installations d’une puissance crête installée proche de la centaine de

watts. Les installations plus importantes seront pourvues de batteries à plaques tubulaires plus

adaptées au cyclage journalier mais d’un coût du kilowattheure stocké de 1,5 à 2 fois plus

élevé. Ce type de batterie équipe les installations de plusieurs centaines de watts à plusieurs

kilowatts-crêtes et toutes les applications professionnelles pour des raisons de fiabilité et de

sécurité (relais hertziens de télévision et de télécommunications, phares maritimes). La

batterie au plomb “étanche” est employée essentiellement dans des environnements

contraignants n’autorisant qu’une maintenance très espacée, comme l’équipement de balises

maritimes, ou dans des installations confinées.

Les batteries au Nickel- cadmium [Ni-Cd] :

Les batteries de nickel- Cadmium ont une structure physique semblable à celles du

plomb Acide. Au lieu du Plomb, elles utilisent de l'hydroxyde de Nickel pour les Plaques

positives et de l'oxyde de Cadmium pour les plaques négatives. L'électrolyte est de

l'hydroxyde de Potassium. Elles ont connu un fort développement dans les domaines où une

source d’énergie portable est nécessaire. Cependant, du fait de la forte toxicité du cadmium,

elles ont progressivement été abandonnées et remplacées par les batteries Ni-MH. [25]

II.5. Les convertisseurs

La transformation du courant photovoltaïque, de nature essentiellement continue, en

courant alternatif usuel 230 V / 50 Hz est effectuée par des appareils électroniques appelés

Convertisseur statiques, ou onduleurs.

Les différents appareils électriques de notre système ne fonctionnent pas à la même

tension ou ne sont pas du même type : nous avons le courant continu (Direct Current : DC) ou

le courant alternatif (Alternating Current : AC). Nous devons donc insérer à des

convertisseurs DC/AC et/ou DC/DC (éleveur ou abaisseur de tension) afin de pouvoir les

connecter entre eux. Le modèle que nous avons choisi, régulièrement cité dans la littérature


37

scientifique. Il exprime le rendement de conversion, pour tous types de convertisseurs, selon

l‘équation suivante:

��= ��

�� (II.13)

Avec:

��: Rendement de conversion du convertisseur (%)

��:Puissance en entrée du convertisseur (W)

��:Puissance en sortie du convertisseur (W)

Où :

��=��+�� (II.14)

II.6. Différentes configurations des systèmes PV :

Un système photovoltaique est constitué du générateur précédemment décrit,

généralement associé à l'un ou plusieurs des éléments suivants :

-Un système d'orientation ou de suivi

- Une gestion électronique (stockage, mise en forme du courant , transfert de l'énergie ).

- Un stockage palliant la nature aléatoire de la source solaire.

- Un convertisseur DC/AC

-Une charge en courant continu, basse tension ou en courant alternatif standard.

La figure (II.11) représente symboliquement les divers éléments du système le plus

général.

En pratique, les systèmes utilisent les éléments appropriés au type de charge et aux

conditions locales [26]

Chapitre II

Figure (II.11): schéma synpotique résumant les divers types de système

II.7. Avantages et inco

Les systèmes photovoltaïques présentent un

d’inconvénients qui sont : [

II.7.1.Avantages

Les systèmes photovoltaïques ont plusieurs avantages:

ils sont non polluants sans émissions ou odeurs discernables.

ils peuvent être des systèmes autonomes qui fonctionnent sûrement, sans surveillance

pendant de longues

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

approvisionnement en carburant.

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

de système.

ils peuvent résister à des conditions

glace.

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

une haute fiabilité car l’installation ne comport

particulièrement appropriée a

spatiaux.


): schéma synpotique résumant les divers types de système

vantages et inconvénients de l’énergie solaire

Les systèmes photovoltaïques présentent un grand nombre

sont : [27]

Les systèmes photovoltaïques ont plusieurs avantages:

s sont non polluants sans émissions ou odeurs discernables.


pendant de longues périodes.

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

approvisionnement en carburant.


ils peuvent résister à des conditions atmosphériques pénibles comme la neige et la


une haute fiabilité car l’installation ne comporte pas de pièces mobiles, ce qui

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


38

): schéma synpotique résumant les divers types de systèmes photovoltaiques

grand nombre d’avantages et


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


atmosphériques pénibles comme la neige et la


e pas de pièces mobiles, ce qui la rend

ux régions isolées, d’où son utilisation sur les engins


39

le système modulaire de panneaux photovoltaïques permet un montage adaptable à des

besoins énergétiques variés ; les systèmes peuvent être dimensionnés pour des

applications allant du milliwatt au mégawatt.

la technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologiques car le

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

ils ont une longue durée de vie.

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

II.7.2.Inconvénients

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

le coût très élevé.

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

ils sont tributaires des conditions météorologiques.

l’énergie issue du générateur photovoltaïque est continu et de faible voltage (< à 30 V)

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

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

II.8. Les applications d'énergie solaire PV

Les applications pour un usage domestique sont nombreuses : pompage de l'eau,

lampe solaire de jardin (abri, piscine, garage, cabanon), d'intérieur (chevet, table, bureau), de

poche, murale, ou encore avec détecteurs de mouvements. La technologie se révèle déclinable

presque à l'infini : les performances dépendent essentiellement de la capacité de stockage de

la batterie. Néanmoins, attention car certains produits se résument à de simples gadgets dont

le bilan énergétique n'est pas forcément positif ou même neutre ! Dans le monde

professionnel, cette technologie est de plus en plus utilisée dans le cadre d'un éclairage urbain

(allée piétonne, parking, école, parc, piste cyclable, camping, lieu touristique, zone

industrielle...). Appelés aussi candélabre ou lampadaire solaire, ce type d'éclairage public est

rendu autonome grâce aux capteurs photovoltaïques fixés en tête de mât : ils stockent

l'électricité dans les batteries en journée et la restituent la nuit pour éclairer (une fonction

programmation permet de moduler la durée de fonctionnement selon la période de l'année ou

les besoins)


40

Conclusion

Nous avons représenté dans ce chapitre la transformation directe d'une partie du

rayonnement solaire en énergie électrique, par l'ensemble de cellules dites photovoltaique

(PV).et la description de système photovoltaique. On a présenté ensuite le fonctionnement, les

performances et les différents types de chaque composant de ce système.

CHAPITRE III

Chapitre III

Introduction

Bien qu‘il soit l‘un des éléments les plus abondants de la planète, il n‘existe pas de

gisement, contrairement aux hydrocarbures,

En effet, cet élément se trouve, dans la nature, presque systématiquement combiné avec

d‘autres atomes tels que l‘oxygène dans le cas de l‘eau ou le carbone dans le cas du gaz

naturel. Pour le produire, il est

naturel, eau,…). A l‘heure actuelle, la production d‘hydrogène se fait presque exclusivement à

partir de combustible fossile (Fig. I

l‘oxydation partielle [21 ; 15

respectivement 48, 30 et 18 % de la production d‘H

hydrocarbures liquides et du charbon. Seule 4 % provie

la perspective d'un développement durable avec réduction des émissions de gaz à effet de

serre, l'hydrogène via l‘électrolyse de l‘eau semble, de prime abord, la solution idéale, lorsque

celle-ci est effectuée à l‘aide d‘une source d‘énergie renou

l‘éolien. Ainsi l'hydrogène, et son corollaire la pile à com

quelques années au rang d'alternative énergétique globale pour le 21ème siècle [

actuellement l'objet d'une véritable mobilisa

Figure (III.1) : Principales sources de production de l

III.1 Les particularités de l’hydrogène

L’élément hydrogène est extrêmement abondant sur Terre, dans l’eau des lacs, des

rivières et des océans ainsi que dans

notre Univers mais il n’existe pas à l’état libre.

Le dihydrogène est dans les conditions usuelles un gaz incolore et inodore. Le

paramètre essentiel pour l’étude de ses propriétés physiques e

molécule H2, la plus petite connue. Il en résulte une faible densité pour H

Chapitre III La technologie des systèmes à d'hydrogène vert


contrairement aux hydrocarbures, permettant d‘extraire l‘hydrogène directement.



naturel. Pour le produire, il est donc nécessaire d‘avoir une « source d‘hydrogène » (gaz


partir de combustible fossile (Fig. III.1) par des méthodes telles que le

tielle [21 ; 15]. Comme nous pouvons le voir sur la figure I

respectivement 48, 30 et 18 % de la production d‘H qui est issue du gaz naturel, des

hydrocarbures liquides et du charbon. Seule 4 % provient de l‘électrolyse de l‘eau [16



ci est effectuée à l‘aide d‘une source d‘énergie renouvelable

l‘éolien. Ainsi l'hydrogène, et son corollaire la pile à combustible, ont été promus depuis

quelques années au rang d'alternative énergétique globale pour le 21ème siècle [

actuellement l'objet d'une véritable mobilisation internationale.

: Principales sources de production de l′��

Les particularités de l’hydrogène


rivières et des océans ainsi que dans les combustibles fossiles, c’est le constituant essentiel de

notre Univers mais il n’existe pas à l’état libre.


paramètre essentiel pour l’étude de ses propriétés physiques est la très faible masse de la

, la plus petite connue. Il en résulte une faible densité pour H

La technologie des systèmes à d'hydrogène vert

41


permettant d‘extraire l‘hydrogène directement.



donc nécessaire d‘avoir une « source d‘hydrogène » (gaz


par des méthodes telles que le vaporeformage ou

]. Comme nous pouvons le voir sur la figure I-7, nous avons

qui est issue du gaz naturel, des

nt de l‘électrolyse de l‘eau [16]. Dans



velable telle que le solaire ou

bustible, ont été promus depuis

quelques années au rang d'alternative énergétique globale pour le 21ème siècle [17-20] et sont

� dans le monde


les combustibles fossiles, c’est le constituant essentiel de


st la très faible masse de la

, la plus petite connue. Il en résulte une faible densité pour H2 (solide, liquide ou


42

gaz) et une très grande vitesse de translation des molécules à l’état gazeux.

Le dihydrogène possède une bonne conductibilité calorifique, une grande facilité de diffusion

et d’effusion (l’effusion concerne le passage à travers un petit trou percé d’une paroi mince).

L’état de gaz presque parfait de H2(g) est en relation avec les températures de fusion et de

liquéfaction basses. Il est utilisé et transporté depuis longtemps [28].

III.2 Production d’hydrogène solaire

Dans le contexte énergétique actuel, les propriétés physiques et environnementales de

l’hydrogène font de lui un vecteur énergétique de qualité en association avec l’électricité. Le

XXIe siècle pourrait voir la naissance de «l’électricité hydrogène ». Bien qu’il soit très

abondant sur Terre, l’hydrogène n’existe pas à l’état naturel. Actuellement, sa production est

essentiellement effectuée par reformage catalytique d’hydrocarbures (principalement gaz

naturel) et par électrolyse de l’eau [29].

La production d'hydrogène à partir de carburants fossiles est aujourd’hui la plus

répandue, mais elle ne pourrait constituer une solution à long terme au vu de la durée de vie

limitée de ces carburants. Il peut être produit à partir de l’eau en utilisant une large variété de

sources d’énergie renouvelable (Figure III.2).

Figure (III.2) : Cycle de l’hydrogène

III.3 Stockage et utilisation d'hydrogène

L’hydrogène peut être stocké sous forme :

- gazeuse comprimée, à plusieurs centaines de bar, dans des réservoirs à hautes pressions :

c’est la solution la plus répandue aujourd’hui.


43

- liquide cryogénique : l’hydrogène est liquéfié à -253°C ce qui consomme de l’énergie et

nécessite des réservoirs munis d’un bon isolement thermique.

- stocké « solide » : adsorbé sur un hydrure métallique (ces matériaux sont lourds et ont une

faible capacité de stockage – 4 kg d’hydrogène stocké pour 100 kg de matériaux adsorbants)

ou adsorbé par des matériaux poreux (solide à grande surface comme des charbons actifs,

nanotubes de carbone, nanofibre etc.).

L’hydrogène est utilisable soit directement dans des moteurs à combustion interne soit

comme combustible dans une pile à combustible (PAC). Une PAC est un générateur

électrochimique d'énergie permettant de transformer directement l'énergie chimique d'un

combustible (hydrogène, hydrocarbures, alcools,...) en énergie électrique et thermique sans

apport d ‘énergie extérieure [30].

III.4 Stockage et transport de l’hydrogène

L’hydrogène est difficile à stocker et à transporter, en raison de sa faible densité

énergétique par unité de volume. Le transport s’effectue généralement en bouteilles ou en

pipelines sous forme comprimée : le gaz peut être comprimé de quelques dizaines de bars à

350 ou 700 bars pour être acheminé. D’autre part, il est possible de le liquéfier l’hydrogène à

–253°C mais cette transformation est très énergivore. Notons également la possibilité de

transporter l’hydrogène sous forme d’hydrure métallique (la réaction d’hydruration est en

effet réversible).

Le réseau de gaz naturel peut aussi contenir de l’hydrogène jusqu’à 20% en volume

mais cela nécessite de le purifier en aval du réseau. Notons qu’il faut dix fois plus d’espace

pour stocker de l’hydrogène gazeux par rapport à l’essence.[31]

III.5 Les Applications d'hydrogène

L’hydrogène peut être converti en électricité, en chaleur ou en force motrice selon

l’usage final. Il a l’avantage de présenter une capacité de stockage (problématique avec

l’électricité) et de pouvoir être produit sans émission de �� .En tant que vecteur énergétique,

il trouve ainsi :

Des applications stationnaires : stockage d’énergie dans les bâtiments en

assurant une fourniture d’électricité et de chaleur grâce à la cogénération, ce qui

permettrait le développement des bâtiments à énergie positive ;


44

Des applications mobiles : l’hydrogène peut alimenter des véhicules équipés de

moteurs à combustion fonctionnant au gaz. Par ailleurs, un réservoir d’hydrogène

peut-être associé à une pile combustible pour améliorer l’autonomie de véhicules

électriques (électro-mobilité de �� génération, dite 2G, la première correspondant

aux véhicules électriques) ;

Des applications industrielles : l’hydrogène est un composant chimique très

employé dans l’industrie [31].

III.6. Production d’hydrogène à partir de l’électrolyse de l’eau

L’électrolyse de l’eau est une réaction électrochimique de décomposition de l’eau en

hydrogène et en oxygène. Elle est possible par le passage d’un courant continu à travers deux

électrodes immergées dans un électrolyte liquide ou solide. Les technologies en concurrence

sont de deux natures, l'une porte sur le type d‘électrolyte et l'autre sur le type de structure

(monopolaire ou bipolaire). Il existe trois types d‘électrolytes : l’alcalin, le PEM (Proton

Exchange Membrane) et l‘électrolyse à haute température par SOEC (Solid Oxid Electrolyser

Cell) [29 - 32].

III.7. Systèmes de production d’électricité à base d’hydrogène vert

L'hydrogène peut être produit à partir de l'énergie électrique générée par les systèmes

éoliens et photovoltaïques dans des différents nombres d’applications [33]. L’association de

ce mode de production à la pile à combustible est présentée comme étant donc un moyen

écologique de production d’énergie électrique. Ils peuvent être divisés en applications

autonomes et connectée au réseau (Voir figure III.3).

http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydrogene-dans-les-transports

http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/voiture-electrique


45

Figure (III.3) : Systèmes de production d’électricité à base d’hydrogène vert

III.7.1. La pile à combustible (PEMFC)

Une pile à combustible est un générateur qui convertit directement l’énergie interne

d’un combustible en énergie électrique en utilisant un procédé électrochimique contrôlé. La

pile à combustible à membrane échangeuse de proton est composée de l’assemblage de

cellules élémentaires qui comportent une chambre cathodique et une chambre anodique

séparés par deux électrodes et un électrolyte intermédiaire (polymère conducteur protonique)

[34]. Le flux molaire de gaz consommés par la pile est représenté par [35] :

��.��= ��×�

�×�×

�

�� (III.1)

Avec ��.��, ��, �,I,F,�� : respectivement le flux de gaz consommés (mol/s),

Nombre de cellules, Le nombre de mole d’électrons échangés par mole d’eau (n = 2 pour

l’hydrogène, n =4 pour l’oxygène), le courant, constante de faraday, 96485 (C/mole) et le

rendement faradique de la pile.

Chapitre III

Figure (III.4) :

Tableau (III.1): Tableau récapitulatif des différentes technol

III.7.2. L’électrolyseur PEM

Le principe de fonctionnement d’un électrolyseur PEM (Proton Exchange Membrane)

est fondé sur le même concept qu’une pile à combustible PEM.

Le flux molaire de gaz produit par l’électrolyseur est


: Principe schématique des différentes piles à combustible

: Tableau récapitulatif des différentes technologies de pil

[36]

L’électrolyseur PEM


le même concept qu’une pile à combustible PEM.

Le flux molaire de gaz produit par l’électrolyseur est représenté par [


46

Principe schématique des différentes piles à combustible

ogies de piles à combustible


représenté par [29, 37] :

Chapitre III

Avec :��.��,�� : respectivement flux de gaz produit (mol/s) et le

d’électrolyseur

Figure (III.5)

Le tableau I-4 résume les principales caractéristiques de ces trois types d‘électrolyte.

Tableau (III.2

III.7.3.Le Système de Stockage

Le stockage d’énergie dans les systèmes photovoltaïques autonome

assuré par des batteries, composant utilisés dans la majorité des cas, [

techniques des systèmes de stockage

fonctionnement et réduire leur

technologies ayant des propriétés

contourner les difficultés liées à


��.��

�×

�

�× ��

respectivement flux de gaz produit (mol/s) et le

Figure (III.5) : Principe schématique de l’électrolyse

4 résume les principales caractéristiques de ces trois types d‘électrolyte.

III.2) : Données techniques des différents électrolyseurs

Le Système de Stockage

Le stockage d’énergie dans les systèmes photovoltaïques autonome

batteries, composant utilisés dans la majorité des cas, [

systèmes de stockage peuvent entraîner d’importantes contraintes de

fonctionnement et réduire leur domaine d’utilisation. Le couplage ou l’hybridation de

technologies ayant des propriétés complémentaires est dans certains cas nécessaires pour

contourner les difficultés liées à l’utilisation d’un dispositif unique. Dans notre cas nous


47

(III.2)

respectivement flux de gaz produit (mol/s) et le rendement faradique

Principe schématique de l’électrolyse PEM

4 résume les principales caractéristiques de ces trois types d‘électrolyte.

es différents électrolyseurs [36]

Le stockage d’énergie dans les systèmes photovoltaïques autonomes est en général

batteries, composant utilisés dans la majorité des cas, [29]. Les caractéristiques

peuvent entraîner d’importantes contraintes de

domaine d’utilisation. Le couplage ou l’hybridation de

complémentaires est dans certains cas nécessaires pour

d’un dispositif unique. Dans notre cas nous


48

étudierons un système avec stockage hybride (stockage via l’hydrogène et stockage dans les

batteries).

Conclusion

La production d‘électricité mondiale est principalement issue des combustibles

fossiles. Ces ressources sont limitées, non renouvelables, et leurs combustions engendrent des

gaz à effet de serre. Pour lutter contre le réchauffement climatique, la production d‘électricité

via les énergies renouvelables est en constante augmentation. Ces sources étant généralement

intermittentes, une réflexion sur un système de stockage « propre » était nécessaire. Depuis

plusieurs années, l‘hydrogène semble être le vecteur énergétique de l‘avenir.

CHAPITRE IV

Chapitre IV Caractérisation et dimensionnement du système

49

Introduction

Dans ce chapitre nous commençons notre étude par la caractérisation expérimentale des

éléments de la pile à combustible, ensuite la présentation de la charge électrique finale et les

données nécessaires de rayonnement solaire au niveau des panneaux solaire. Pour arriver à la

fin au dimensionnement de notre générateur PV qui produise l’énergie électrique nécessaire à

la production d’hydrogène, pour faire fonctionner par la suite une pile à combustible de type

PEMFC.

Le système que nous avons étudié est composé d’un générateur solaire, un électrolyseur

pour la production d’hydrogène, une unité de stockage des gaz, une pile à combustible de type

PEMFC. Dans ce système le champ photovoltaïque alimente en charge électrique

l’électrolyseur, ce dernier produit de l’hydrogène qui sera stockés et par la suite consommés

par la pile à combustible.

La figure 1 montre le système avec option de stockage

Figure (IV.1):Présentation générale du système

IV.1. Expérimentation

Nous avons conduit les expériences de caractérisation des éléments de système de la

pile à combustible au laboratoire à l’université d’Ouargla.

IV.1.1. Composition du système

Les éléments de système Nexa Training system de Helio que nous avons utilisés sont :


50

1- Système de stockage de l’hydrogène (Bouteilles de métal hybride)

2- Pile à combustible

3- Convertisseur DC/DC

4- Charge électrique variable

5- Ensemble des capteurs pour le contrôle de l’ensemble des paramètres de

fonctionnement de système.

6- Unité pour l’acquisition et le stockage de données

Figure (IV.2): Les éléments de système Nexa de la pile à combustible

IV.1.2. Caractérisation de la pile à combustible (PEM) :

Une pile à combustible (PEMFC) produit de l’énergie électrique provenant de la

formation de l’eau par recombinaison d’hydrogène et d’oxygène. Elle est composée de

cellules électrochimiques, constituées de 2 électrodes où se déroulent les réactions

électrochimiques, d’un électrolyte assurant le transfert des ions et d’une membrane séparant la

partie cathodique de la partie anodique de la cellule. [36]

Nous avons relié la pile directement à la charge variable come montre la figure

suivant (IV.3):

Figure (IV.3): la pile reliée directement à la charge

La pile à

combustible

La charge Les bouteilles

de métal hybride

Unité d'acquisition de données


51

Ensuite nous avons alimenté la pile en hydrogène à partir des bouteilles de métal

hybride. En donnent l’ordre de démarrage la pile commence à fonctionné, avec la variation de

la charge le système enregistre les données dans l’unité d’acquisition.

Les résultats de mesure comme suit :

a) Caractéristique (U-I)

Figure (IV.4):essai courbe U-I en fonction du courant de la pile

La pile présente une tension à vide dans l’ordre de 31 V On remarque d'après la courbe

figure (IV.4) une diminution de tension avec l'augmentation de courant à cause des pertes

internes dans la pile.

b) Caractéristique de la puissance (W)

Figure (IV.5):variation de la puissance de la pile à combustible en fonction du courant

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5020

22

24

26

28

30

32Caractéristique (U-I)

Courant (A)

Le

s ten

sio

n (

U1, U

2)

(U1,U2)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

200

400

600

800

1000

1200Courbe de puissance (W)

Courant (A)

La p

uis

san

ce (

W)

P1(stack)

P2(FCM)


52

Sur la courbe figure (IV.5) de la puissance en fonction de courant de la pile, nous constatons

qu'il y a une différence entre la puissance à la sortie et la puissance du Stack ces pertes sont

causées par la consommation des auxiliaires de la pile.

c) Caractéristique de la consommation d'hydrogène (nl/min)

Figure(IV.6):Consommation d'hydrogène en fonction du courant

D’après la courbe de la figure (IV.6), nous observons que la relation entre le débit

d’hydrogène et le courant de la pile est presque linéaire.

IV.1.3. Flux de puissance à travers le convertisseur DC/DC

Dans cette deuxième série des expériences nous avons relié la charge à la pile à travers

le convertisseur DC/DC voir la figure (IV.7). En donnent l’ordre de démarrage la pile

commence à fonctionné, avec la variation de la charge le système enregistre les données dans

l’unité d’acquisition.les résultats de mesure représenté dans le tableau (IV.1)

Figure (IV.7): Alimentation de la charge à travers le convertisseur DC/DC

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

2

4

6

8

10

12

14Courbe de consommation d'hydrogène (nl/min)

Courant (A)

Co

nso

mm

atio

n d

'hyd

ro

gè

ne

(n

l/m

in)

H2

Bouteilles

de métal

hybride

La pile à

combustible

Convertisseur

DC/DC

La charge

Unité d'acquisition de données


53

Tableau(IV.1): la puissance de l'entrée et la sortie de convertisseur DC/DC

V DC/DC entrée [V]

I DC/DC entrée [A]

P DC/DC entrée [W]

V DC/DC sortie [V]

I DC/DC sortie [A]

P DC/DC sortie [W]

�(DC/DC)

24.43 15.38 375.7334 25.43 14.77 375.6011 0.99 23.38 28.24 660.251 25.64 25.37 650.4868 0.98 21.22 43.52 923.4944 25.68 35.3 906.504 0.98 20.8 51.07 1062.256 25.75 40.29 1037.4675 0.97

IV.2. Dimensionnement du générateur PV

Nous voulons dimensionner le générateur photovoltaïque nécessaire pour la production

d’hydrogène nécessaire pour le fonctionnement de notre système de pile dans un système

solaire photovoltaïque autonome pour alimenter un système d’éclairage d’une localité

pendant 5h chaque nuit. Pour le dimensionnement d’un système photovoltaïque, on part des

besoins de la charge en énergie.

Dans notre cas l’électrolyseur représente la charge c’est-à-dire Ecj (kWh/j) sur le site où

l’irradiation globale journalière moyenne dans le plan des modules est de Es ��

��.��

Pour avoir à la fin la taille nécessaire du générateur photovoltaique .Pour accomplir le

dimensionnement nous avons considéré les hypothèses suivantes :

Le flux molaire produit par l’électrolyseur est le même que le flux molaire consommé

par la pile.

La demande est constante durant la période d’étude (elle peut changer pendant la

journée, mais la valeur moyenne journalière reste constante).

Les rendements des composants du système sont constants.

IV.2.1. Installation photovoltaïque

Le dimensionnement d’un système solaire photovoltaïque a pour but de déterminer la

puissance du générateur photovoltaïque et la capacité de batterie associée à installer, à partir

des données d’ensoleillement du lieu, et des besoins en énergie électrique de la charge

On peut résumer la démarche en ces étapes :

détermination des besoins de l’utilisateur

chiffrage de l’énergie solaire récupérable

définition des modules photovoltaïques

définition de la capacité de la batterie.


54

IV.2.2. La charge

Dans notre cas les lampes d'éclairage d’une localité représentent la charge finale de

notre système, l’organigramme de la figure (IV.8) représente le flux de puissance électrique

produit par la pile à combustible, à partir d’un débit d’hydrogène nominal de la pile

d’équivalence en seconde de puissance d’hydrogène de 2700 W, pour arriver à la charge avec

une puissance de 999 W.

Figure (IV.8): Organigramme des rendements

Nous prendrons des lampes de types fluorescents avec une puissance de 40w par

lampe et leurs tension est de 24 volts .chaque lampe a un flux de 3200lm et on estime à 5000

heures la durés de vie des (fluors) et un rendement de 80 lm/w. nous estimons que le nombre

des lampes, 6 lampes → 200�� [38].

Et comme nous avons un système de (999 W), donc le nombre des lampes totales qui

sera utilisé est de 25 lampes qui peuvent éclairer une surface de 833 ��

Les résultats sont représentés dans le tableau suivant:


55

Tableau (IV.2):Estimation de la charge

La charge Les lampes d'éclairage

Nombre d'heure d'éclairage (��(�)) 5

Nombre de lampe (��) 25

La puissance de lampe ��(� ) 40

Surface éclairé (��) 833

Nombre de jour d'autonomie(N) 1

La puissance aux bornes de la charge (W) 999

IV.2.3. La pile à combustible (PEMFC)

Dans notre cas et pour satisfaire le besoin en énergie électrique de l’utilisateur final, une

pile à combustible de 1200 W va fonctionner pendant cinq heures chaque nuit. Pour produire

le besoin en hydrogène pour cette pile, d'après le débit nominal d'hydrogène de la pile

(15Nl/min), nous avons calculé le volume d'hydrogène nécessaire pour cette durée de

fonctionnement, pour cela nous utilisons deux électrolyseurs de 1.750 kW chacun. En

s’appuyant sur les hypothèses que nous avons mentionnées. Les deux électrolyseurs vont

fonctionner pendant 5h et 45min, voir la fiche technique de l‘électrolyseur dans l'Annexe (2).

IV.2.4.Le convertisseur [DC/DC]

Dans cette configuration on utilise un convertisseur (DC/DC) avec une régulateur intégré

à la sortie de la pile pour transfère la puissance à la charge. D'après les mesures que nous

avons effectuées, nous estimons le rendement de convertisseur DC/DC 99%.

Figure (IV.9):Schéma du système avec des lampes fluorescentes


56

IV.2.5. Chiffrage de l’énergie solaire récupérable (Es)

Pour notre calcul nous avons choisi un angle d'inclinaison optimal pour chaque mois.

Pour chaque jour type du mois nous avons calcul l'énergie solaire d'après le programme que

nous avons mentionnée dans le premier chapitre. Les valeurs des résultats sont résumées dans

le tableau suivant :

Tableau(IV.3):L’énergie solaire des jours type

Mois Nombre de jour (N) Énergie solaire (Wh/��.j)

Jan 17 6503

Fév 45 6257

Mars 75 6354

Avr 105 6620

Mai 135 7050

Jun 162 6591

Juil 198 7409

Aout 228 7212

Sep 259 6362

Oct 289 6509

Nev 319 6497

Déc 345 6072

La valeur moyenne annuelle de l’énergie solaire est : Es = 6619 Wh/��.j

IV.2.6. Estimation de la durée d’insolation (Hd)

Le tableau suivant résume les durées d’ensoleillement moyennes quotidiennes pour

chaque mois d'après les données de l'ONM d'ouargla.

Tableau (.IV.4):Les durées d’ensoleillement moyen quotidien pour chaque mois

Mois Jan Fév Mars Avr Mai Jun Joui Aout Sep Oct Nev Déc

Hd(h) 7.9 8.6 8.4 9.4 9.7 8.4 10.6 10.7 8.6 8.6 8.3 7.2

La valeur moyenne annuelle de la durée d’insolation sera donc : Hd=9 h/j


57

IV.2.7. Estimation de la puissance de modules requise (��)

L'étape suivante consiste à dimensionner le champ des modules. Il faut prendre en

considération dans ces calculs les pertes énergétiques occasionnées par le chargement des

accumulateurs [48]:

��= ��

� � � (IV.1)

K = facteur suppose une efficacité du régulateur de charge de (85 %) et une efficacité

des accumulateurs de (80 %). [48]

IV.2.8. Puissance unitaire d’un module (Pu)

La puissance unitaire d’un module dépend d’une part de l’énergie solaire récupérée et

d’autre part de la durée du jour. Cette puissance unitaire ne doit jamais dépasser la puissance

crête de ce module (��). Pour estimer cette puissance, on suit ces étapes:

IV.2.8.1. Déterminer la puissance solaire reçue (��)

Cette puissance est définie comme étant le rapport entre l’énergie solaire reçue pour

un jour donné et la durée de ce jour. Cette dernière est donnée dans le tableau suivant:

Tableau(IV.5):Durée du jour pour chaque jour type du mois (D’après le programme de

calcul)

Mois Jan Fév Mars Avr Mai Jun Joui Aout Sep Oct Nev Déc

Jour type 17 16 16 15 15 11 17 16 15 15 14 10

N° de jour 17 47 75 105 135 162 198 228 258 288 318 344

Durée de jour 9.9 10.6 11.6 12.5 13.3 13.7 13.5 12.8 11.9 10.9 10.1 9.7

La durée du jour moyenne est donc :

��= ��

�� (IV.2)

Donc la puissance solaire reçue est égal à :

��=��

�� (IV.3)


58

IV.2.8.2. Détermination de puissance unitaire

La puissance unitaire est donnée par la formule suivant :

��= �� × � × � (IV.4)

IV.2.9. Estimation du nombre des modules (Nm)

Pour calculer le nombre des modules nécessaire, il suffit de faire un rapport entre la

puissance du champ requis et la puissance unitaire :

Nm= ��

�� (IV.5)

IV.2.10. Dimensionnement de régulateur

Le premier paramètre à considérer est la puissance du régulateur, ou le courant

maximal qu'il peut contrôler pour une tension nominale donnée, pour la tension, le régulateur

devra pouvoir supporter environ le double de sa tension nominale, valeur proche de la tension

ouvert du panneau �� à base température. Pour les caractéristiques du régulateur choisi, voir

l’annexe (3).

D’après les caractéristiques des modules que nous avons choisis voir la fiche technique dans

l’annexe (2), et les caractéristiques de régulateur utilisé, voir l’annexe (3) nous avons monté

les modules solaires comme suite, 17 modules en parallèles (17 branches de un module par

branche).

IV.2.11. Estimation de la capacité de stockage de batterie Cs

La capacité des accumulateurs dont nous aurons besoin dépendra de nos exigences.

Dans la plupart des cas, il est judicieux de prévoir une capacité de stockage suffisante pour

s'assurer d'avoir de l'électricité pendant trois à cinq jours consécutifs sans soleil. Notons qu’Il

ne faut pas décharger les accumulateurs complètement, puisque cela réduit leur vie utile.

��= ��×��

�×� � (IV.6)

� � : Facteur suppose une efficacité des accumulateurs de (80%) et une décharge maximale de

(60%).

La capacité en ��nécessaire à stocker est évaluée par la formule suivant [39]

�� = �� / �� (IV.7)


59

Où �� représente le facteur de correction (facteur permettant de déduire la capacité en�� par

une correction de la capacité calculée) [39]

��=1.25 pour 1 ≤ �� ≤4

IV.2.12 .Association série –parallèle des batteries

On dispose des batteries de 6V. 160 Ah alors .si Nb le nombre de branches. Il faut que [39]:

�� ≤ �� × 160 ⇒ Nb= ��

�� (IV.8)

��=��

�� (IV.9)

IV.3. Résultats de dimensionnement

Le tableau suivant présente tous les résultats que nous avons acquises grâce à la

production d'hydrogène et son utilisation pour le fonctionnement de la pile à combustible

après l'application de notre méthode de dimensionnement et l'utilisation des données

techniques des composants du système présenté dans l'annexe

Tableau(IV.6): Résultats de dimensionnement

Paramètres Résultats

La consommation Ecj [Wh/j] 20125

puissance du champ ��[W] 3288.39

Nombre des modules 17

La surface de captation par module (��) 1.631 ��

Modules en séries 1

Modules en parallèles 17

Capacité de stockage des batteries [Ah] 4792

Nombre des branches pour batterie 3

Batterie en série 8

Nombre des batteries 24


60

Conclusion

Dans cette étude, nous avons développé des expériences dans le but de savoir

comment produire les besoins en hydrogène à partir de l'énergie solaire gratuite et le stocker

dans des bouteilles pour le fonctionnement de la pile à combustible du type PEMFC, utilisé

pour alimenter les lampes d'éclairage d’une localité, ce qui rendre autonome un système

hybride de production d’énergie, dans le but d’une bonne gestion de l’énergie électrique

produite par le système PV. La supposition de quelques hypothèses rendre les résultats de ce

dimensionnement approximatifs.

Conclusion

Générale

Conclusion générale

61

Conclusion générale

Ces dernières années, l’utilisation des énergies renouvelables comme le

Photovoltaïque est en forte croissance pour la production de l’électricité. Mais ces systèmes

doivent être hybridés avec d’autres sources d’énergie comme l’hydrogène qui peut être

produit par électrolyse, puis stocké et enfin réutilisé par une Pile à combustible pour produire

de l’énergie électrique verte.

Les besoins de production d’énergie électrique par les systèmes à hydrogène sont de

plus en Plus nécessaires, c’est pour cela que la production d’hydrogène par des moyens

autonomes comme le couplage aux énergies renouvelables apporte des réponses propres,

fiables et plus économique à cette nouvelle technologie.

L'objectif global de notre travail est de montrer un exemple de dimensionnement d'un

générateur PV qui permet de rendre autonom un système hybride de production d'énergie, il

s'agit principalement de produire le besoin en hydrogène pour le fonctionnement de pile à

combustible de type PEMFC, par l’utilisation des données climatiques de la région d’Ouargla,

et les données de caractérisation expérimentale des composants disponible à notre laboratoire

à l’université de Ouargla.

Les résultats que nous avons acquise grâce à des expériences réelles au niveau de

laboratoire et les simulations que nous avons fait ont permit d’élabore un système de

production d’électricité propre grâce à une source d’énergie gratuite qui est le Soleil, et l’eau.

Notre contribution dans ce travail a été orientée vers l’étude des éléments de la chaine de

système.

En perspective, nous pouvons développer ce système hybride PV-PEMFC pour ajouter

d’autre source d'énergie comme l’éolienne.

.

Annexe

Annexe

1

Annexe

Spécifications des composantes:

Les caractéristiques techniques des composants de notre système de production

d'hydrogène nécessaire pour le fonctionnement de la pile à combustible sont données dans les

tableaux suivants:

La pile à combustible utilisée Nexa 1200W est de type PEMFC, les caractéristiques

techniques sont données dans le tableau suivant :

Tableau (1):Caractéristique technique de la pile Nexa 1200 W [40]

Dimensions (H×B×T) 220×400×500 mm

Poids Ca.22 kg

Pureté minimale d'hydrogène 4.0 (99.99 %)

Pression primaire 1-17 bar

Consommation d'hydrogène à la puissance

nominale

15 slpm

Puissance nominale 1200 W

Tension de sortie 20-36 V

Courant nominale 52 A

Température ambiante pour

le fonctionnement

5-4 ℃

Annexe

2

L'électrolyseur choisi pour l'installation est de type PEM, développé par le laboratoire de

Fraunhofer- Institut fur solare Energie system ISE:

Tableau (2):Caractéristique technique de l'électrolyseur PEM [41]

Puissance crête 1750 W

Tension nominale 48 V

Courant de fonctionnement maximal 35 A

Nombre de cellules 26

Zone active par cellule 57 ��

Pression de fonctionnement 15 bar

Température de fonctionnement 75 ℃

La production d'hydrogène 390 Nl/h ��

La pureté du gaz 0.01-0.3 % ��in ��

Electrolyte Nafion 117

L'eau pour électrolyse Conductivité max 1��/��

Moyen de refroidissement L'eau

Dimension de grille 0.60× �.��×1.80 m

Le module photovoltaique choisi est fabriqué par la Sun

Tableau (2):Caractéristique du module SPR-X21-345 (Si-mono), Sun Power, [42]

Pouvoir maximale (pm) 345 W

Tension au point maximal (��) 57.30 V

Courant au point maximal (��) 6.02 A

Voltage du circuit ouvert (�� ) 68.20 V

Courant du court-circuit (��) 6.39 A

Efficacité du module 21.16 %

Dimensions 1.631 ��

Annexe

3

Les caractéristiques de régulateur utilisé, Il se présente comme suit

Tableau (3):Caractéristique technique du régulateur [43]

Tension de système 48 V

Consommation propre 14mA

Tension à vide du panneau PV < 100 V Courant du panneau 140 A Courant de consommateur 70 A

Température ambiante -10°C…..+60°C

Poids 10 Kg

Les batteries utilisées ont les caractéristiques suivantes:

Tableau (5): la fiche technique des batteries, [35]:

Capacité en �� 160Ah

Rendement (�/�) 80 %

Seuil de surcharge 6.3 V

Seuil de décharge excessive 5.7 V

Profondeur de décharge max (PD) 60 %

Bibliographie

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[3]: M. Capderou, « Atlas solaire de l’Algérie », Office des publications universitaire Tome 1’ Tome 2, Algérie 1986

[4]:A.labouret, M.villoz,«��»5e

EDITION,Dunod,paris,2012

[5]: Société française de chimie : L’actualité chimique, l’hydrogène, carburant de demain ?n°12, décembre 2001 [6]: B. Flèche, D. Delagnes, « Energie solaire photovoltaïque », juin 07, STI ELT Approche générale [7]: A. Lauger.J.A.Roger « Les photopiles solaire» technique et documentation ,1981 [8]:H, Benis, «Contribution à la modélisation du problème de « Hot Spot » dans les modules solaire Photovoltaïque occultées» Thèse de magister.2008 [9]: Coordonnées célestes: sciences- physiques.ac-dijon.fr /astronomie/ Lexique_astronomique /lexique_astro/c/coordonnees_celestes.htm - 1 s

[10]: A. Betka, “optimisation d'un système de pompage photovoltaique “ thèse de Magister, [11]: Algérie énergie N°2 “ Revue de ministère de l'énergie et de l'industrie pétrochimique“ Aout 1983 [12]: J. A. Duffie, A. Wiley and W.A. Beckman, « Solar Engineering of Thermal Processes », Second Edition. -Interscience Publication, 1991.

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Etude d'un système photovoltaïque autonome à base d… · à l’aide d’un programme de calcul...

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