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ETUDE ET ANALYSE EXPERIMENTALE D’UNE CENTRALE HYBRIDE PV/GROUPE ELECTROGENE (DI

ETUDE ET ANALYSE EXPERIMENTALE D’UNE CENTRALE HYBRIDE PV/GROUPE ELECTROGENE (DIESEL OU BIOCARBURANT) SANS STOCKAGE MEMOIRE POUR L’OBTENTION DU MASTER EN INGENIERIE DE L'EAU ET DE L'ENVIRONNEMENT OPTION : ENERGIE ET GENIE DE PROCEDES ------------------------------------------------------------------ Présenté et soutenu publiquement le 15 Juin 2010 par Sibiri Judicaël Noël ZONGO Travaux dirigés par: Dr Yao AZOUMAH Enseignant-chercheur UTER GEI Daniel YAMEGUEU Doctorant LESEE Jury d’évaluation du stage : Président : Pr. Yézouma COULIBALY Membres et correcteurs : Pr. Xavier PY Dr. Yao AZOUMAH Daniel YAMEGUEU Promotion [2009/2010] ETUDE ET ANALYSE EXPERIMENTALE D’UNE CENTRALE HYBRIDE PV/GROUPE ELECTROGENE (DIESEL OU BIOCARBURANT) SANS STOCKAGE Mémoire de fin d’études pour l’obtention du Master d’ingénierie en énergie, 2iE, 2009 ZONGO Sibiri Judicaël Noël i REMERCIEMENTS Je n’aurais sans doute pas pu réussir cette formation, sans le concours et l’assistance des personnes bienveillantes ; qu’elles trouvent ici l’expression de ma profonde gratitude. Je remercie particulièrement :  Monsieur Salif KABORE, Directeur général de la société nationale d’électricité du Burkina (SONABEL) ;  Monsieur Ouokana GANOU, chef du département contrôles électriques et télécommunications (DCET) de la SONABEL ;  Mes responsables et mes collègues de la SONABEL, particulièrement du DCET ;  Monsieur Paul GINIES, Directeur Général de l’institut international de l’ingénierie de l’eau et de l’environnement (2iE) ;  Le corps professoral et l’administration du 2iE ;  Monsieur Yezouma COULIBALY, chef de l’UTER GEI ;  Monsieur Yao AZOUMAH, directeur du LESEE, mon directeur de mémoire, à qui je témoigne toute ma reconnaissance ; je formule, à son intention, mon vœu de réussite dans sa lourde mission ;  Monsieur Daniel YAMEGUEU, mon encadreur de stage, qui m’a consacré son temps et son énergie ; je lui souhaite bon courage dans ses travaux de thèse ;  Toute l’équipe sympathique et disponible du LESEE ;  L’ensemble des stagiaires du LESEE ;  Tous ceux qui m’ont apporté leur aide. Ma famille, ma fiancée et mes amis ont été les leviers qui m’ont permis d’atteindre mes objectifs ; soyez en remerciés et que Dieu vous bénisse. ETUDE ET ANALYSE EXPERIMENTALE D’UNE CENTRALE HYBRIDE PV/GROUPE ELECTROGENE (DIESEL OU BIOCARBURANT) SANS STOCKAGE Mémoire de fin d’études pour l’obtention du Master d’ingénierie en énergie, 2iE, 2009 ZONGO Sibiri Judicaël Noël ii RESUME Notre travail porte sur une étude et analyse expérimentale d’une centrale hybride PV/Diésel sans stockage d’énergie. Un prototype, composé d’un champ PV (de 2,85 kWc) en série avec un onduleur monophasé et couplé en parallèle à un groupe électrogène triphasé (de 11,5 kVA), a été installé sur le site de l’Institut International de l’Ingénierie de l’Eau et de l’Environnement à Kamboinsé (latitude 12,44° et longitude -1,56°). La demande en énergie est simulée à partir de deux bancs de charges triphasés de 4 kW chacun. L’étude expérimentale est basée sur l’acquisition des données climatiques et des paramètres électriques du système PV et du groupe électrogène, pendant plusieurs mois de fonctionnement de la centrale hybride. L’analyse des résultats a permis de déterminer le point de fonctionnement optimal du système en fonction de la puissance demandée et de l’ensoleillement. En outre en comparant les performances de la centrale hybride PV/Diésel sans stockage à celles du groupe électrogène en fonctionnement exclusif, nous avons constaté que cette centrale hybride engendre une baisse de la consommation en gasoil ; ce qui entraîne également une réduction des émissions de CO2. En termes de performances, l’optimisation des centrales hybrides doit être toujours envisagée, dans le but d’atteindre les objectifs d’économie en gasoil (et donc de la baisse du coût du kWh électrique) et de préservation de l’environnement, en diminuant les émissions de CO2. Mots clés : centrale hybride, photovoltaïque, groupe électrogène, expérimentation, optimisation ETUDE ET ANALYSE EXPERIMENTALE D’UNE CENTRALE HYBRIDE PV/GROUPE ELECTROGENE (DIESEL OU BIOCARBURANT) SANS STOCKAGE Mémoire de fin d’études pour l’obtention du Master d’ingénierie en énergie, 2iE, 2009 ZONGO Sibiri Judicaël Noël iii ABSTRACT Our work is focused on the study and experimental analysis of a hybrid power station consisting of photovoltaic modules and diesel generator without storage of energy, the aim being to determine its optimal point of operation. With this intention, a prototype , made up of a photovoltaic modules (2,85 kWp) connected in serie with an single-phase current inverter and coupled in parallel with a three-phase generator, has been installed on the site of the International Institute for Water and Environmental Engineering (2iE) in Kamboinsé (latitude 12,44° and longitude -1,56°). The demand of energy is simulated by two three-phase load’s bench of 4 kW each one. The experimental study is based on the acquisition of the weather data and the electric parameters of PV system and the diesel generator, during several months of operation of the hybrid power station. The analysis of the results made it possible to determine the systems point of optimal operation according to the required power and the solar radiation. Moreover, by comparing the performances of the PV/Diesel hybrid power station without storage with those of the generator under exclusive operation, we noted that this hybrid power station consumes less fuel, which results in a reduction of the CO2 emissions. In terms of performances, the optimization of the hybrid power stations must always be considered, with the aim to achieve the objective of economizing fuel (and thus the reduction of the cost of electric kWh) and protection of the environment, by decreasing the CO2 emissions. Keys words: hybrid power station, photovoltaic, generator, experimentation, optimization ETUDE ET ANALYSE EXPERIMENTALE D’UNE CENTRALE HYBRIDE PV/GROUPE ELECTROGENE (DIESEL OU BIOCARBURANT) SANS STOCKAGE Mémoire de fin d’études pour l’obtention du Master d’ingénierie en énergie, 2iE, 2009 ZONGO Sibiri Judicaël Noël iv LISTE DES FIGURES Figure 1:Emissions annuelles des gaz à effet de serre (4).......................................................... 2 Figure 2:carte d'ensoleillement global en kWh/m²/jour (6) ....................................................... 3 Figure 3: Equipe du LESEE ....................................................................................................... 4 Figure 4: répartition des ressources dans la production d'énergie primaire (8) ......................... 6 Figure 5: consommation d'un groupe de 30 kW (13) ................................................................. 9 Figure 6: coût d'exploitation en fonction du taux de charge du groupe ................................... 10 Figure 7: comparaison des coûts initiaux et d’exploitation entre PV et diésel, cas d'une station de télécommunication de puissance 10 kW (2) ........................................................................ 12 Figure 8: système hybride sans stockage ................................................................................. 14 Figure 9: système hybride autonome sans stockage (source : IEA) ......................................... 14 Figure 10: paramètres de mesures de test de système hybride (19) ......................................... 15 Figure 11: équipement de test de système hybride PV/GE avec stockage (14) ....................... 16 Figure 12: carte de localisation du site de Kamboinsé ............................................................. 19 Figure 13: ensoleillement global sur le site de Kamboinsé, année 2010 ................................. 19 Figure 14: température et humidité relative année 2009 de la ville de Ouagadougou ............. 20 Figure 15: (a) modules PV, (b) Sunny Boy (onduleur monophasé), (c) groupe électrogène triphasé de 11,5 kVA, (d) local du prototype ........................................................................... 21 Figure 16: schéma de principe du prototype ............................................................................ 22 Figure 17: thermomètre CA 861 K .......................................................................................... 24 Figure 18: (a) multimètre (b) sonde du solarimètre installé sur le plan incliné ....................... 24 Figure 19: écran du pupitre du groupe électrogène .................................................................. 24 Figure 20: écran de l'onduleur monophasé Sunny Boy ............................................................ 25 Figure 21: schéma électrique unifilaire du prototype ............................................................... 26 Figure 22:profil des charges N°1 ............................................................................................. 27 Figure 23: profil des charges N°2 ............................................................................................ 27 Figure 24: rapprochement entre données station météo et prototype ....................................... 32 Figure 25: consommation horaire groupe électrogène 11,5 kVA ............................................ 33 Figure 26: consommation spécifique du groupe électrogène 11,5 kVA .................................. 34 Figure 27: courbes charge constante 1,8 kW ........................................................................... 35 Figure 28: courbes charges constantes 3,6 kW ........................................................................ 36 Figure 29: courbes charges constantes 5,4 kW ........................................................................ 37 ETUDE ET ANALYSE EXPERIMENTALE D’UNE CENTRALE HYBRIDE PV/GROUPE ELECTROGENE (DIESEL OU BIOCARBURANT) SANS STOCKAGE Mémoire de fin d’études pour l’obtention du Master d’ingénierie en énergie, 2iE, 2009 ZONGO Sibiri Judicaël Noël v Figure 30: courbes charges constantes 7,2 kW ........................................................................ 38 Figure 31: courbes charges constantes 9,2 kW ........................................................................ 39 Figure 32: courbes profil de charge N°1 .................................................................................. 40 Figure 33: courbes profil de charge N°2 .................................................................................. 41 Figure 34: comparaison entre consommation horaire centrale hybride et groupe seul ............ 41 Figure 35: comparaison entre consommation spécifique centrale hybride et groupe seul ....... 42 Figure 36: corrélation puissance PV et ensoleillement ............................................................ 43 Figure 37: performance de l'onduleur Sunny Boy ................................................................... 44 Figure 38: consommation horaire groupes électrogènes de 30 kW et 9,2 kW ......................... 45 Figure 39: corrélation linéaire de la puissance et de la consommation horaire du groupe électrogène ............................................................................................................................... 45 Figure 40: comparaison consommation horaire entre centrale hybride PV/GE et groupe électrogène seul, à 9,2 kW ....................................................................................................... 47 Figure 41: comparaison consommation spécifique entre centrale hybride et groupe électrogène seul, à 9,2 kW ....................................................................................................... 47 Figure 42: intersection entre des courbes de performances de quatres groupes électrogènes . 49 Figure 43: informations affichées sur le Sunny Matrix ............................................................ 50 Figure 44: photosynthèse des plantes (4) ................................................................................. 52 Figure 45: comparaison émissions de CO2 et NOx (source: travaux de S. SIDIBE, LBEB) .. 53 Figure 46: (a) graines de Jatropha, (b) presse pour la uploads/Management/ rapport-de-memoire-master-energie-zongo-judicael-version-finale.pdf