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Revue des Energies Renouvelables Vol. 11 N°3 (2008) 473 – 483 473 Etude et modé

Revue des Energies Renouvelables Vol. 11 N°3 (2008) 473 – 483 473 Etude et modélisation d’un générateur photovoltaïque A. Ould Mohamed Yahya1, A. Ould Mahmoud1 et I. Youm2,3 1 Centre de Recherche Appliquée aux Energies Renouvelables ‘CRAER’, Université de Nouakchott, Mauritanie 2 Laboratoire des Semi-conducteurs et d’Energie Solaire, ‘LASES’, Faculté des Sciences et Techniques, Université Cheikh Anta DIOP, Dakar, Sénégal 3 Centre d’Etudes et de Recherches sur les Energies Renouvelables ‘CERER’, B.P. 476, Dakar, Sénégal (reçu le 19 Juillet 2008 – accepté le 30 Septembre 2008) Résumé - Ce papier présente un modèle de simulation pour prédire la performance d’un système photovoltaïque (PV) fonctionnant dans les conditions météorologiques du site d’installation. Les systèmes photovoltaïques individuels sont largement utilisés dans les applications des sources d’énergie renouvelables et il est important d’avoir une capacité à évaluer la performance des systèmes installés. Les équations mathématiques développées pour la modélisation de la performance du générateur PV sont basées sur la caractéristique courant – tension des modules. Le modèle de simulation a été validé à partir des données expérimentales d’un système individuel de 1,2 kWc installé à Nouakchott, Mauritanie. Les résultats du modèle de simulation ont été comparés aux résultats expérimentaux dans les mêmes conditions de fonctionnement et d’environnement climatique. Un bon accord a été observé et le coefficient de corrélation varie de 88 % à 99 %, considéré comme satisfaisant. Le modèle de simulation développé peut être utilisé, non seulement pour analyser la performance d’un système PV, mais aussi pour dimensionner le système PV le plus adaptable pour l’alimentation des différentes charges électriques pour n’importe quelle localité spécifiée, pourvu que les données météorologiques locales soient disponibles. Abstract - This paper presents the development of a simulation model for predicting the performance of a solar photovoltaic (PV) system operating under prevailing meteorological conditions at the site location. Stand-alone photovoltaic systems are widely used in renewable energy sources applications and it is important to be able to evaluate the performance of the installed systems. Mathematical equations developed for modelling the performance of the PV generator are based on current-voltage characteristic of the modules. The simulation model was validated against experimental data of a 1.2 kWp stand alone system installed at Nouakchott, Mauritania. Simulated results from the model under the same operating and environmental climatic conditions are compared with those observed from the experimental tests. Good agreement is found in the comparison. The correlation coefficient obtained varies from 88% to 99% which is considered satisfactory. The simulation model developed can be used not only for analysing the PV system performance, but also for sizing the PV system which is more suitable to the load requirements at any specified location provided that the local meteorological data is available. Mots clés: Modélisation - Simulation - Générateur photovoltaïque - Caractéristiques I-V. 1. INTRODUCTION Dans la plupart des pays africains, rendre l’électricité disponible dans le milieu rural a toujours été un enjeu socio-économique important. Ce problème d’accès à l’électricité A. Ould Mohamed Yahia et al. 474 est incompatible avec un développement équilibré de ces pays et constitue un des facteurs favorisant l’exode rural. C’est donc un défi de mettre à la disposition des populations rurales une source d’énergie capable de stimuler l’activité économique et de conduire à une amélioration de leurs conditions de vie. Toutefois, la satisfaction de la demande d’électricité des populations rurales par la liaison au réseau national se heurte à plusieurs difficultés: la faible densité et la dispersion de la population, la faiblesse des revenus, l’inexistence ou la faiblesse de structures collectives au niveau villageois. Aussi, il est nécessaire d’explorer de nouvelles solutions possibles pour assurer une électrification rationnelle du monde rural, par exemple l’exploitation du potentiel solaire abondant dont disposent ces pays. L’énergie solaire photovoltaïque (PV), qui est la conversion directe de la lumière en électricité grâce à des cellules solaires, représente une alternative intéressante et bien adaptée à des besoins limités. Malgré sa facilité de mise en œuvre, son faible impact environnemental et le peu d’entretien qu’il nécessite, un système photovoltaïque n’est plus concurrentiel lorsque la demande augmente. Ainsi une étude assez rigoureuse est nécessaire pour faire le meilleur choix et le plus performant avec le moindre coût possible. La performance d’un système PV dépend fortement des conditions météorologiques, telles que le rayonnement solaire, la température et la vitesse du vent. Pour fournir l’énergie continuellement durant toute l’année, un système PV doit donc être correctement dimensionné. Ce qui exige une étude assez rigoureuse dans le but de faire le meilleur choix, le plus performant et au moindre coût. Mais les informations fournies par les constructeurs d’équipements photovoltaïques ne permettent que de dimensionner approximativement le système PV. L’objectif principal de cette étude est de simuler les performances d’une seule composante du système PV, à savoir le générateur PV. C’est l’élément le plus onéreux et le plus sensible aux conditions climatiques sur le site. Les méthodes d’optimisation du générateur PV sont d’une grande utilité pour les fabricants n’ayant pas des informations détaillées sur les futurs sites d’implémentation de leurs produits. Pour réaliser notre objectif, nous avons établi un modèle simple et fiable, avec une précision acceptable pour prévoir les performances d’un générateur PV dans les conditions climatiques de nos pays. Ce modèle est validé par des données obtenues à partir d’un générateur PV installé sur le site de la Faculté des Sciences et Techniques de l’Université de Nouakchott. Le système de production photovoltaïque alimente différentes charges. Les performances obtenues à partir des données et du modèle sont comparées. 2. MODELISATION DU GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE Les cellules solaires sont généralement associées en série et en parallèle, puis encapsulées sous verre pour obtenir un module photovoltaïque. Un générateur PV est constitué de modules interconnectés pour former une unité produisant une puissance continue élevée compatible avec le matériel électrique usuel. Les modules PV sont habituellement branchés en série-parallèle pour augmenter la tension et l’intensité à la sortie du générateur. Les modules interconnectés sont montés sur des supports métalliques et inclinés suivant l’angle désiré en fonction du lieu, cet ensemble est souvent désigné par champ de modules. Etude et modélisation d’un générateur photovoltaïque 475 Ainsi la caractéristique V I− du générateur PV est basée sur celle d’une cellule élémentaire modélisée par le circuit équivalent bien connu de la figure 1 [1-5]. Ce circuit introduit une source de courant et une diode en parallèle, ainsi que des résistances série s R et parallèle (shunt) sh R pour tenir compte des phénomènes dissipatifs au niveau de la cellule. Fig. 1: Circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque La résistance série est due à la contribution des résistances de base et du front de la jonction et des contacts face avant et arrière. La résistance parallèle rend compte des effets, tels que le courant de fuite par les bords de la cellule, elle est réduite du fait de la pénétration des impuretés métalliques dans la jonction (surtout si cette pénétration est profonde). Ce circuit peut être utilisé aussi bien pour une cellule élémentaire, que pour un module ou un panneau constitué de plusieurs modules [1, 4, 5]. L’équation reliant le courant délivré par un module PV constitué par la mise en série de s N cellules et la tension à ses bornes est donnée par: sh s V R . I V 0 ph R R . I V e . I I I T s + −             − = + (1) Où: ph I , 0 I et q T . k . n . N V s T = désignent respectivement le photo-courant, le courant de saturation inverse de la diode et la tension thermique, avec: n le facteur d’idéalité de la diode, q la charge de l’électron, k la constante de Boltzman, T la température de la cellule qui varie en fonction de l’éclairement et de la température ambiante, selon la relation linéaire [1, 2]: ( ) 2 fn a m / W . 800 20 T T T Ψ       − = − (2) où fn T est la température de fonctionnement normale des cellules PV (°C) dans les conditions suivantes: un ensoleillement de 800 W/m2, une température ambiante de 20 °C et une masse d’air optique AM égale à 1,5. La valeur de fn T est généralement donnée par le constructeur, a T est la température ambiante, et ) m / W ( 2 Ψ est l’irradiation solaire globale du lieu considéré et reçue par le module PV. A. Ould Mohamed Yahia et al. 476 A partir de cette équation, une méthodologie simple a été développée pour la détermination des caractéristiques d’une cellule ou d’un panneau photovoltaïque. On introduit les deux paramètres externes de la cellule (facilement mesurables), tels que le courant de court-circuit cc I et la tension de circuit ouvert co V , pour en déduire l’expression mathématique implicite du courant délivré par une cellule photovoltaïque, ainsi que sa caractéristique V I− . Le courant de court-circuit est le courant pour lequel la tension uploads/Management/ modelisation-pv.pdf