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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de L’enseignement Sup

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de L’enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Abderrahmane MIRA de Bejaia Faculté des Sciences et science de l’ingénieur Département d’électronique LOGICIEL DE DIMENSIONNEMENT LOGICIEL DE DIMENSIONNEMENT LOGICIEL DE DIMENSIONNEMENT LOGICIEL DE DIMENSIONNEMENT DE DE DE DE SYSTEMES A ENERGIE SOLAIRES SYSTEMES A ENERGIE SOLAIRES SYSTEMES A ENERGIE SOLAIRES SYSTEMES A ENERGIE SOLAIRES Thème Thème Thème Thème : : : : Promoteur Promoteur Promoteur Promoteur : : : : M M M Mr r r r : M : M : M : M. . . .TOUNSI TOUNSI TOUNSI TOUNSI Présenté par Présenté par Présenté par Présenté par : : : : M M M Mr r r r : BEK : BEK : BEK : BEKT T T TACHE HALIM ACHE HALIM ACHE HALIM ACHE HALIM M M M Mr r r r : NASRI NADJIB : NASRI NADJIB : NASRI NADJIB : NASRI NADJIB Promotion 200 Promotion 200 Promotion 200 Promotion 2006 6 6 6/200 /200 /200 /2007 7 7 7 Mémoire de fin d’études En vue d’obtention d’un diplôme d’ingénieur d’état en électronique OPTION : COMMUNICATION Sommaire INTRODUCTION GENERALE…………………………………………………………....…1 CHAPITRE I : généralités sur l’énergie solaire I-1 – Introduction…………………………………………………………….………...3 I-2 - Les sources d’énergies renouvelables…………………………………………….3 I-2-1 : Les énergies renouvelables…………………………………………………...…3 I-2-2 - Enjeux et défis………………………………………………………………..…4 Sur le plan environnemental………………………………………………………..4 Sur le plan social………………………………………………………………...….4 Sur le plan économique…………………………………………………….……….4 I-3 - Formes d’utilisations de l’énergie solaire ……………………………...…………4 I-3-1 - La conversion solaire photovoltaïque……………………………………..5 a) Rappels sur l’effet photovoltaïque…………………………………………....……..5 b) Applications de la conversion P.V……………………………………………….… 6 • Système P.V d’alimentation électrique…………………………………………6 • Système P.V raccordé au réseau……………………………………………..…7 • Système P.V de pompage d’eau……………………………………………...…7 • Système de protection cathodique………………………………………………8 I-3-2 - La conversion solaire thermique……………………………………..……8 a) Rappels sur l’effet thermique……………………………………………………8 b) Applications de la conversion solaire thermique………………………….…8 • Le chauffe-eau solaire…………………………………………………..………8 • Le plancher chauffant solaire……………………………………………...……9 I-4 - les Equipements des installations solaires………………………………….…….9 a) Le champ photovoltaïque………………………………………………………..….9 b) La batterie d’accumulateur…………………………………………………….…..10 c) Le régulateur de tension…………………………………………………………....10 • l’autorégulateur………………………………………………………….……..10 • le régulateur shunt……………………………………………………………..10 • le régulateur série……………………………………………………………...10 • le régulateur à déconnexion partielles……………………………………..…..10 • le régulateur à découpage……………………………………………………...11 • le régulateur suiveur de puissance maximale………………………………….11 d) L’onduleur (convertisseur continu-alternatif)…………………………………..…11 e) L’armoire de distribution AC……………………………………………………...13 f) Les pompes solaires……………………………………………………………..…13 • La pompe centrifuge………………………………………………………...…13 • Les pompes de surfaces………………………………………………………..14 • Les pompes immergées………………………………………………………..14 • Les capteurs thermiques………………………………………………..…14 • Le capteur plan avec vitrage (corps noir-serre)……………………….…14 • Le capteur de Francia (plaque noire-plaque verre)…………………...…14 • Le capteur à surfaces sélectives…………………………………………..14 • Le capteur plan sans vitrage, sans revêtement et sans isolant……….….14 • Le capteur à tube sous vide…………………………………………….…15 I-5 – Conclusion………………………………………………………………………15 CHAPITRE II: Techniques de dimensionnement II.1 – Introduction……………………………………………………………….……………16 II.2 - Dimensionnement de systèmes photovoltaïques………………………………………..16 II-2.1 - Cas d’un système à courant continu…………………………………………….……16 a) Détermination du profil de charge………………………………………………………..16 b) Calcul du champ photovoltaïque……………………………………………………...….16 c) Calcul de la capacité de batterie……………………………………………………………17 d) Dimensionnement du régulateur…………………………………………………………...17 II-2.2 – Cas d’un système à courant alternatif…………………………………………..……19 II-2.3 Cas d’un système de pompage……………………………………………….…..……20 a) Le débit………………………………………………………………………….……..… 20 b) La hauteur manométrique totale (HMT)…………………………………………..….…..20 c) Le calcul de l’énergie quotidienne requise……………………………….……….…..….20 II.3- Dimensionnement de systèmes solaires thermiques………………….…………….…..21 II-3.1-Cas d’un chauffe-eau solaire domestique………………………………….…….……21 a) Estimation de l’énergie requise par le chauffe-eau………………….…………....21 b) Les pertes………………………………………………………………….……………... 21 • Calcul des pertes dues au ballon……………………………………….…………...22 • Calcul des pertes dans la tuyauterie………………………………….………..…..23 c) l’énergie totale………………………………………………………………….……24 d) Les capteurs thermiques………………………………………………………….…24 • Puissance produite par le capteur thermique………………………..……………..24 II-3-2-Cas d’un plancher chauffant/rafraîchissant solaire………………………….…24 a) Calcul de l’énergie requise annuelle………………………………………………….......24 b) Calcul de la surface du capteur thermique…………………………………………...……25 II-4) conclusion………………………………………………………………………….25 CHAPITRE III: Description de l’interface III-1 - Introduction ………………………………………………...…………………………26 III-2 – Objectif et Arborescence de l’interface ………………………………………...…….26 III-2-1 - Objectif de l’interface ………………………………………………………………26 III-2-2 – Organisation fonctionnelle ……………………………………………………...…26 A. Les calculs de dimensionnement …………………………. ………………………...…...26 B. L’analyse économique ……………………………………………………………………27 C. La documentation technique ……………………………………………………………...27 III-3 – Description fonctionnelle de l’interface ……………………………………………...27 III-3.1 – Systèmes photovoltaïques ………………………………………….………..……..27 A - Le système à courant continu ……………………………………….……………..……28 • Etape 1 - Détermination du profil de charge ……………………………….…..………..28 • Etape 2 - Dimensionnement du champ photovoltaïque …….…………….….…………..29 • Etape 3 - Calcul de la capacité batterie ……………………………...….…………...…..30 • Etape 4 - Choix du régulateur ……………………………………………....……………30 • Etape 5 – Bilan économique …………………………………………….……..…...……30 B - Système à courant alternatif ….………………………………………..………...…..…..31 C - Système de pompage d’eau ………………………………………………….……..…...31 • Etape 1 - Détermination de la consommation en eau ……………………...…....……….31 • Etape 2 - Détermination de l’énergie requise ………………………………….…..……32 III-3.2 – Systèmes thermiques ………………………………………………………….…...32 A - Chauffe-eau solaire domestique …………………………………………………..…….32 • Etape 1 - Evaluation de la consommation …………………………………..…...………32 • Etape 2 - Dimensionnement du capteur thermique ………………………………..…….33 B - Plancher chauffant/rafraîchissant ……………………………………………...……….34 • Etape 1 - Profil de charge …………………………..…………………….………..…….34 • Etape 2 - Dimensionnement du capteur thermique ……………………………..……….34 III-3.3 - Récapitulation des résultats ………………………………………………………..35 III-3.4- Quantité de CO2 évité ..…………………...…………………………...……………35 III-4 - Bilan économique …………………………..………………………..……………...36 III- 5 - Les outils d’aide ....……………………………………………………...…………..37 III- 9 - Conclusion ………….………………………………………………………………..38 CHAPITRE : Différentes applications. IV-1- introduction……………………………………………………………….....………....40 IV-2- application domestique ………………………………………………...…..………….40 IV-2-1 : Définition du profil de charge …………………………………….……..…………40 IV-2-2- Le dimensionnement du champ ………………………………………...…………...40 c) Calcul de la capacité de la batterie ………………………………………………..…….. 41 d) Choix du régulateur ……………………………………………………...…..…………..41 e) Choix de l’onduleur ………………….. ……………………………………..…………..41 f) Récapitulatif des résultats obtenus……………………………………………..…………..41 g) Bilan économique …………………………………………………..…………………….42 • Energie produite par an ………………………………………………………………42 • Amortissement du système ………………………………………………………….42 IV-3-Application au système de pompage d’eau ……………………………………..……..43 IV-3-1- Le profil de charge ………………………………………………………………….43 • Les résultats du dimensionnement ………………………………………………….43 IV-3-2- Le dimensionnement du champ …………………………………………………….43 • Les caractéristiques du module utilisé ………………………………………………43 • Les résultats du dimensionnement …………………………………………………..43 Les caractéristiques de l’onduleur ………………………………………….……….44 IV-5-3- La récapitulation des résultats obtenus …………………………………………….44 IV-5-4- Le bilan économique ……………………………………………………………....44 IV-4- application chauffe-eau solaire domestique :…………………………. …....………..46 IV-4-1- L’estimation des besoins en eau chaude …………………………………………...46 IV-4-2 - Les caractéristiques du matériel utilisé…………………………………………….46 IV-4- 3- les résultats obtenus ……………………………………………………………….46 IV-4-4- La récapitulation des résultats obtenus …………………………………………….46 IV-4-5 - La quantité du Co2 évitée ……………………………………………………….....47 IV-4-6- Estimation des coûts …………………………………………………………..……47 IV-5-2- Les caractéristiques du matériel utilisé ………………………………………….….48 IV-5-1 - Profil de charge ………………………………………………………………….…48 IV-5- application plancher chauffant / rafraîchissant ………………………………………..48 IV-5- 3- les résultats obtenus …………………………………………………………….….49 IV-5-4- La récapitulation des résultats obtenus ………………………………………….….49 IV-5-5- La quantité du Co2 évitée …………………………………………………………...49 IV-5-6- Estimation des coûts ………………………………………………………………..49 IV-6- Conclusion ………………………………………………………..……..…………….50 CONCLUSION GENERALE ……………………………………………………………….51 Introduction générale 1 INTRODUCTION GENERALE epuis fort longtemps, les combustibles fossiles sont utilisés comme sources d’énergie. Malgré le proche épuisement de leurs réserves, ces énergies sont une menace à l’environnement car elles sont à l’origine de la pollution et du réchauffement de la planète. Ceci se traduit continuellement par l’augmentation considérable des émissions de gaz à effet de serre (CO2, H2S, …), la réduction de la couche d’ozone, la fonte des glaces, le dérèglement climatique. Beaucoup d’actions sont menées à l’échelle planétaire pour prémunir les générations futures de nos gestions écologiques désastreuses : de nombreux programmes de démonstration sont réalisés pour promouvoir et encourager l’utilisation des énergies renouvelables, car elles sont non polluantes et inépuisables. Le rayonnement solaire reçu en un an sur la surface du globe représente environ 5000 fois la consommation mondiale d’énergie[01]. Les progrès technologiques aidant, diverses applications sont optimisées et maitrisées. Les applications solaires photovoltaïques et thermiques, sont très prometteuses pour les pays riches en gisement solaires. Ces deux formes d’énergies reposent sur des phénomènes de conversion du rayonnement solaire en électricité et en chaleur. Réussir l’utilisation d’une installation solaire, passe d’abord par un bon dimensionnement de ses différents équipements. Aussi, notre travail propose une interface graphique développée sous matlab, qui permet d’un coté le dimensionnement des systèmes à énergie solaire (système à courant continu, système à courant alternatif, système de pompage d’eau, chauffe-eau domestique thermosiphon et plancher solaire chauffant/rafraîchissant), et de l’autre coté une analyse économique (le calcul du coût des D Introduction générale 2 différents systèmes et leurs amortissements), en plus d’une aide documentaire technique conséquente. Notre mémoire est organisé comme suit : • Le premier chapitre est consacré aux généralités sur les énergie renouvelables leurs avantages, suivies d’une revue technique des équipements constituant les installations photovoltaïques et thermiques. • Le deuxième chapitre traite des techniques (étapes) de dimensionnement des systèmes solaire avec leurs modélisations mathématiques en vue d’une implémentation sous matlab. • Le troisième chapitre est justement réservé à la description de notre interface graphique et à sa description fonctionnelle. • Le quatrième chapitre démontre l’efficacité de notre interface dans les calculs d’installations solaires domestiques : alimentation électrique d’un foyer en électricité, un système de pompage d’eau, un chauffe-eau et un plancher chauffant/rafraîchissant. Nous terminons par une conclusion générale suivie de la bibliographie utilisée. Généralités sur l’énergie solaire Chapitre I Généralités sur l’énergie solaire 3 I-1 - INTRODUCTION : Les énergies renouvelables, longtemps ignorées et négligées, sont aujourd’hui au cœur de la lutte écologique mondiale pour la réduction des émissions de gaz carbonique, la protection de la couche d’ozone et la lutte contre le réchauffement climatique. Le désastre écologique « imposé » par les pays industrialisés, est né de leurs courses effrénées vers le développement industriel sans se soucier des retombées écologiques dans l’utilisation d’énergies conventionnelles polluantes et dangereuses pour l’équilibre environnemental. C’est ainsi que depuis une trentaine d’années, beaucoup d’efforts sont menés pour promouvoir, encourager et favoriser uploads/Ingenierie_Lourd/ dimensionnement-solaire.pdf