PROJET DE FIN D`ETUDES

No d’ordre : II2/13/02
2012 / 2013
PROJET DE FIN D’ETUDES
Présenté pour obtenir le titre de
INGENIEUR DE L’UNIVERSITE LIBANAISE – BRANCHE II
Spécialité : Génie Electrique
Option : Informatique Industrielle
Par :
OWEIS EL MELKI Marielle
SALHAB Miled
SOUEID Tania
________________________________________________
SYSTEME DE CONTROLE D’ALIMENTATION:
EDL-GENERATEUR-PHOTOVOLTAÏQUE
POUR APPLICATION DOMOTIQUE
Sous la direction de :
Dr. Mouwafac BERNARD
Soutenue le 8 juillet 2013 devant le jury composé de :
Dr. Elie BARAKAT
Dr. Fadi HANNA
Dr. Mouwafac BERNARD
Président
Membre
Superviseur
Nous dédions ce rapport à nos camarades de promotion.
iii
Nous tenons à remercier :
 Dr. Mouafac BERNARD pour son support et son suivi de notre projet.
 Dr. Omar BAGHDADI pour son suivi de notre projet.
 NATIONAL INSTRUMENTS pour leur aide à l’utilisation du logiciel
LabVIEW et pour avoir mis à notre disposition le hardware RIO.
 ME GREEN pour avoir répondu à nos questions concernant l’application des
systèmes photovoltaïques au marché libanais.
 Mlle Sandrine MELKI pour le soin qu’elle a apporté aux figures du rapport.
 tous ceux qui ont contribué à la réalisation de ce projet.
iv
Le rapport présente l’étude de remplacement de l’abonnement au générateur local par
un système photovoltaïque. Cependant un générateur de secours est employé, dans le
cas d’absence du réseau EDL et de la génération photovoltaïque (tempête de neige etc.).
Le modèle électrique de la cellule photovoltaïque est un modèle à une diode. Le modèle
mathématique est implémenté à l’aide du logiciel de programmation LabVIEW
(NATIONAL INSTRUMENTS). Le hardware RIO (NATIONAL INSTRUMENTS) a
été utilisé pour élaborer le programme de contrôle des différentes sources d’électricité.
Une étude économique est également réalisée en vue de trouver le temps
d’amortissement financier du système.
Mots clés :
Systèmes photovoltaïques, cellule
dimensionnement, modèle à une diode.
photovoltaïque,
module
photovoltaïque,
The report presents the study of replacing the subscription to the local generator by a
photovoltaic system. However, a backup generator is used if the EDL grid and the
photovoltaic generation are off (snowstorm etc.). The electrical model of the
photovoltaic cell is a one diode model. The mathematical model is implemented using
the LabVIEW programming software (NATIONAL INSTRUMENTS). RIO hardware
(NATIONAL INSTRUMENTS) was used to control the different power sources. An
economic study is also conducted to find the financial payback period of the system.
Keywords:
Photovoltaic systems, photovoltaic cell, photovoltaic module, sizing, one diode model.
‫ يتم‬،‫ ومع ذلك‬.‫يقدم التقرير دراسة استبدال االشتراك المحلي لمولد الطاقة الكهربائية بمولد الطاقة الفالطاضوئية‬
.)‫استخدام مولد احتياطي في حالة إنقطاع تيار كهرباء لبنان و عدم توفر الطاقة الفالطاضوئية (عاصفة ثلجية الخ‬
‫ يتم تطبيق النموذج الرياضي باستخدام‬.‫النموذج الكهربائي للخلية الفالطاضوئية هو نموذج الصمام الثنائي‬
NATIONAL (RIO ‫ وقد استخدم نظام‬.)NATIONAL INSTRUMENTS(LabVIEW ‫برنامج‬
‫ يتضمن التقرير أيضا دراسة اقتصادية‬.‫) لتطوير برنامج مراقبة مصادر الطاقة المختلفة‬INSTRUMENTS
.‫للعثور على فترة االسترداد المالي للنظام‬
:‫كلمات البحث‬
.‫ نموذج الصمام الثنائي‬،‫ التحجيم‬،‫ الوحدة الضوئية‬، ‫ الخلية الفالطاضوئية‬،‫األنظمة الكهربائية الفالطاضوئية‬
v
Table des Matières
Introduction .......................................................................................................................1
CHAPITRE 1 :...................................................................................................................2
SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES ...............................................................................2
1.1-Introduction .............................................................................................................2
1.2-Production photovoltaïque .......................................................................................2
1.2.1-Cellule photovoltaïque ......................................................................................2
1.2.2-Module photovoltaïque .....................................................................................4
1.3-Modélisation du générateur photovoltaïque ............................................................5
1.3.1-Modèle « Sandia » ............................................................................................5
1.3.2-Modèle « Townsend ».......................................................................................7
1.4-Conclusion .............................................................................................................13
CHAPITRE 2 :.................................................................................................................14
DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE ...................................14
2.1-Introduction ...........................................................................................................14
2.2-Definition du système photovoltaïque ...................................................................14
2.2.1-Scénarios concrets ...........................................................................................15
2.3-Consommation domestique ...................................................................................17
2.3.1 - Différents profils de consommation..............................................................17
2.3.2 – Consommation actuelle ................................................................................18
2.4-Composants du système.........................................................................................22
2.4.1 - Les panneaux photovoltaïques ......................................................................22
2.4.2 - Chargeur de batteries: régulateur de charge ..................................................23
2.4.3 - Le groupe de batteries ...................................................................................27
2.4.4 - L’onduleur.....................................................................................................28
2.5-Etude économique .................................................................................................29
2.6-Conclusion .............................................................................................................31
CHAPITRE 3 :.................................................................................................................32
SIMULATION ET PROGRAMMATION SUR LABVIEW ET RIO ............................32
3.1-Introduction ...........................................................................................................32
3.2-Simulation de la génération photovoltaïque sur LabVIEW...................................33
3.2.1 – Réalisation ....................................................................................................33
vi
3.2.2 – Résultats .......................................................................................................34
3.3-Programme de contrôle sur RIO ............................................................................37
3.3.1 – Organigramme général .................................................................................37
3.3.2 – Programme du régulateur de charge.............................................................37
3.3.3 – Programme de la synchronisation ...............................................................38
3.4-Conclusion .............................................................................................................38
Conclusion .......................................................................................................................39
Annexe A .........................................................................................................................40
Annexe B .........................................................................................................................41
Annexe C .........................................................................................................................42
Annexe D .........................................................................................................................43
Annexe E .........................................................................................................................44
Annexe F..........................................................................................................................45
Références bibliographiques............................................................................................46
vii
Liste des tableaux
Tableau 1.1 - Comparaison entre les différents types de cellules photovoltaïques. ..........4
Tableau 2.1 – Consommation des appareils électriques de la maison .............................21
Tableau 2.2 – Prix des différents composants du système ..............................................29
Tableau 2.3 – Sommes annuelle et mensuelle pour les 3 options ...................................30
viii
Liste des figures
Fig. 1.1 - Schéma d’une cellule photovoltaïque ................................................................2
Fig 1.2 - Cellule au Silicium Monocristallin .....................................................................3
Fig 1.3 - Cellule au Silicium Polycristallin .......................................................................3
Fig 1.4 - Cellule au Silicium amorphe (couche mince) .....................................................3
Fig 1.5 - Schéma d’un module photovoltaïque..................................................................4
Fig 1.6 – Schéma expliquant le modèle « Sandia » ...........................................................5
Fig. 1.7 - Modèle d’une cellule photovoltaïque.................................................................7
Fig. 1.8 – Caractéristiques courant-tension et puissance-tension d’une cellule
photovoltaïque. ..................................................................................................................7
Fig. 1.9 - Modèle d’un module photovoltaïque .................................................................8
Fig 1.10 - Caractéristique I-V résultante d'un module photovoltaïque..............................8
Fig 2.1 - Schéma explicatif du système photovoltaïque étudié. ......................................14
Fig 2.2 – Scénario 1 .........................................................................................................15
Fig 2.3 – Scénario 2 .........................................................................................................15
Fig 2.4 – Scénario 3 .........................................................................................................16
Fig 2.5 – Scénario 4 .........................................................................................................16
Fig 2.6 - Consommation d’une journée en semaine-Profil A ..........................................17
Fig 2.7 - Consommation d’une journée en fin de semaine-Profil B ................................17
Fig 2.8 - Consommation qui suit la production solaire-Profil C-Cas idéal .....................18
Fig 2.9 -............................................................................................................................18
Fig 2.10 - Consommation en L.L tirée des factures EDL pour l’année 2012 .................19
Fig 2.11 - Consommation en L.L tirée des factures de l’abonnement au générateur local
pour l’année 2012 ............................................................................................................19
Fig 2.12 – Caractéristiques du panneau photovoltaïque ..................................................22
Fig 2.13 – Point de consigne du régulateur de charge .....................................................24
Fig 2.14 – Schéma du régulateur de charge.....................................................................26
Fig 2.15 - Schéma du groupe de batteries .......................................................................28
Fig 2.16 – Variation de la facture énergétique totale mensuelle .....................................31
Fig 3.1 - Eclairement de 400 W/m2 .................................................................................35
Fig 3.2 - Eclairement de 600 W/m2 .................................................................................35
Fig 3.3 - Eclairement de 800 W/m2 .................................................................................35
Fig 3.4 - Température de 20 ºC .......................................................................................36
Fig 3.5 - Température de 25 ºC .......................................................................................36
Fig 3.6 - Température de 30 ºC .......................................................................................36
ix
Liste des abréviations, sigles et acronymes
EDL : électricité du Liban
Gen : Générateur
PV : Photovoltaïques
DC : Direct Current
CC : Courant Continue
AC : Alternating Current
VR : Voltage Regulation
ARV : Array Reconnect Voltage
LVD : Low Voltage load Disconnect
LRV : Load Reconnect Voltage
Fig. : Figure
E: East
N: North
Nb. : Nombre
ET: Ever Exceed (manufacturer)
TVA : Taxe sur la Valeur Ajoutée
NI : National Instruments
C RIO : Compact RIO
VI : Virtual Instruments
FPGA : Field Programmable Gate Array
MPPT : Maximum Power Point Tracking
TMY : typical meteorogical years
x
Liste des symboles
KW : Kilo Watt
KWh : Kilo Watt Heures
A : Ampère (A)
V : Volt (V)
Ѱ : éclairement (W/m2)
q : charge de l’électron (C)
k : constante de Boltzmann
γ : facteur d’imperfection de la cellule
Eg : énergie de gap du matériau (eV)
Ah : Ampère Heure (Ah)
K : degrés Kelvin
J : Joules (J)
C : Coulombs (C)
xi
Introduction
L’énergie solaire est la seule énergie ayant une origine extérieure à notre planète et à
laquelle nous avons un accès « permanent ». La quantité d’énergie libérée par le soleil et
captée par la planète terre, pendant une heure, pourrait suffire à couvrir les besoins
énergétiques mondiaux pendant un an.
C’est une énergie renouvelable qui, au début, a été exploitée dans les sites isolés
(stations spatiales, satellites, etc.) pour la génération d’électricité. La conversion de
l’énergie solaire en énergie électrique constitue le processus photovoltaïque. Il est
réalisé à travers des modules photovoltaïques qui sont eux-mêmes l’association de
cellules photovoltaïques.
Nous allons, dans ce qui suit, exploiter l’utilité des systèmes photovoltaïques dans les
habitations, à l’échelle du Liban.
Une modélisation sous logiciel (LabVIEW) d’un système photovoltaïque est réalisée ;
ainsi qu’une étude de dimensionnement de ce système, appliquée à une habitation
existante. Une étude économique est également réalisée, afin d’étudier la rentabilité
d’un tel système ainsi que son temps d’amortissement.
Le premier chapitre traite l’étude théorique des systèmes photovoltaïques ainsi que leur
modélisation.
Le deuxième chapitre comporte l’étude de dimensionnement du système et l’étude
économique.
Le troisième chapitre relate les résultats de la simulation sur LabVIEW ainsi que la
programmation et l’utilisation de RIO.
1
CHAPITRE 1 :
SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES
1.1-Introduction
Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891) a découvert l’effet photovoltaïque en 1830.
La première cellule photovoltaïque a été produite en 1876 par les laboratoires Bell.
Cette technologie a surtout été utilisée plus tard dans les applications spatiales. Ce n’est
qu’à partir des années 1980-1990 que les recherches se sont intensifiées concernant les
différents usages actuels. Le processus photovoltaïque est la transformation du
rayonnement solaire en énergie électrique. Il se fait à travers la cellule photovoltaïque.
La cellule photovoltaïque ne stocke pas d’énergie. Elle est un convertisseur instantané ;
quand elle reçoit un rayonnement, elle fournit une énergie électrique. Ainsi, placée sous
obscurité totale, elle se comporte comme composant passif. Il faut noter qu’elle n’est ni
une source de tension constante, ni une source de courant constant.
1.2-Production photovoltaïque
1.2.1-Cellule photovoltaïque
La photopile ou cellule solaire est l’élément de base d’un générateur photovoltaïque.
Elle est assimilable à une diode photosensible. Le plus souvent, elle est à base de
silicium. Elle est constituée de deux couches minces de semi-conducteur dopées
différemment. La couche N a un surplus d’électrons ; la couche P a un déficit
d’électrons. Quand les électrons de la couche N captent l’énergie provenant des
photons, ils franchissent la barrière de potentiel ; ce qui engendre un courant continu. Ce
dernier est recueilli par de électrodes. L’électrode supérieure permet le passage des
rayons lumineux. Pour accroître la quantité de photons absorbée, on dépose une couche
anti reflet sur cette électrode.
Fig. 1.1 - Schéma d’une cellule photovoltaïque
2
Il existe plusieurs types de cellules photovoltaïques :

Cellule au silicium monocristallin :
Le silicium pur est obtenu à partir de la silice de quartz ou de sable par
transformation chimique métallurgique.
Fig 1.2 - Cellule au Silicium Monocristallin

Cellule au silicium polycristallin :
Le silicium poly-cristallin est un matériau composé de cristaux juxtaposés
obtenus par moulage.
Fig 1.3 - Cellule au Silicium Polycristallin

Cellule au silicium amorphe :
Le silicium absorbe le rayonnement solaire jusqu’à 100 fois mieux qu’en état
cristallin ; les cellules sont constituées par des couches très minces.
Fig 1.4 - Cellule au Silicium amorphe (couche mince)
3
Technologie
Rendement dans les
conditions standard
Surface de panneau pour
1 KW crête (m2)
Electricité générée en un
an
(modules orientés sud,
inclinés à 30°)
Energie produite en un
an (KWh/m2)
Emission de CO2
économisée par an
(Kg/KW crête)
Emission de CO2
économisée par an
(Kg/m2)
Avantages
Inconvénients
Silicium amorphe
Polycristallin
Monocristallin
7 – 8%
11 – 13%
14 – 16%
16
8
7
900 KWh
750KWh/KW crête 750 KWh/KW crête
55 – 60
90 – 95
90 – 95
390
325
325
25
40
45
Bon rendement pour
faible éclairement, bon Bon rendement, bon
coût
rapport qualité-prix Très bon rendement
Rendement faible en
Rendement faible
plein soleil, plus courte
pour éclairement
durée de vie
faible.
Coût élevé
Tableau 1.1 - Comparaison entre les différents types de cellules photovoltaïques.
1.2.2-Module photovoltaïque
Un module photovoltaïque est l’association de Ns cellules en série et Np cellules en
parallèle.
Fig 1.5 - Schéma d’un module photovoltaïque
4
1.3-Modélisation du générateur photovoltaïque
Il existe deux approches pour les modèles mathématiques. La première consiste à
prendre des mesures sur les modules photovoltaïques après leur installation ; nous
donnons pour exemple le modèle « Sandia ». La deuxième consiste à se baser
uniquement sur les données fournies par le fabricant ; il s’agit là du modèle
« Townsend ».
1.3.1-Modèle « Sandia »
Fig 1.6 – Schéma expliquant le modèle « Sandia »
5
Ce modèle a été élaboré par les laboratoires « Sandia National Laboratories ». Il se base
sur plusieurs mesures :
1. Eclairement et météorologie : Une source est choisie pour définir l’éclairement
et la météorologie qui sont prévues pour le site où sont installés les panneaux
photovoltaïques. Cette source peut être des données par satellite, « typical
meteorogical years » (TMY), mesures effectuées sur le terrain
etc….L’incertitude existant au niveau des données concernant l’éclairement
conduit à une incertitude au niveau de la performance des panneaux
photovoltaïques.
2. Incidence de l’éclairement : L’irradiation est mesurée à des orientations standard
(à l’horizontale, à la normale du soleil, au plan du panneau)
3. Ombrages et salissures : Si le panneau photovoltaïque est partiellement ombragé
ou sali, alors l’éclairement incident disponible pour la conversion de l'énergie
électrique est réduit.
4. Température de la cellule : De nombreux facteurs influencent la température des
cellules photovoltaïques: le matériau du module, la fabrication, la méthode
d’installation, l'éclairement incident (modifié par l'ombrage et les salissures), la
vitesse du vent au niveau du tableau, la température ambiante, etc. De
nombreuses méthodes ont été proposées pour estimer la température de la cellule
à partir de ces variables. La plupart des modèles supposent que la température de
la cellule est constante. Les mesures indiquent parfois des gradients de
température au niveau du panneau photovoltaïque.
5. Sortie du module : Cette étape consiste à prédire la caractéristique I-V du
module dans les conditions décrites précédemment. Diverses formes de modèles
ont été développées pour la prédire.
6. Pertes DC (courant continu) et pertes causées par l’absence de symétrie : Cette
étape consiste à estimer les pertes sur le circuit DC en raison de pertes Joule et
de l’absence entre les modules connectés en série et les chaînes parallèles.
7. Courant continu/MPPT « maximum power point tracking » : La plupart des
modèles suppose que la tension continue peut être tenue au point de puissance
maximale à tout moment. En fait, il existe des différences entre les algorithmes.
Un facteur de déclassement est réglé pour représenter l'efficacité MPPT.
8. Conversion DC/AC : Cette étape représente l'efficacité de conversion de
l'onduleur. Cette efficacité peut varier en fonction de différents paramètres tels
que la température, le niveau de puissance à courant continu.
9. Pertes AC (courant alternatif) : Enfin, une fois la puissance convertie en courant
alternatif, on tient compte des pertes de fil, de transmission, etc.
6
1.3.2-Modèle « Townsend » [5]
Il a été élaboré en 1981 et se base sur des paramètres liés aux phénomènes physiques.
C’est un modèle à quatre paramètres. On se base uniquement sur des données fournies
par le fabricant et on impose les données météorologiques (éclairement et température
ambiante).
Une source de courant modélise la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique.
Une diode modélise la jonction PN. Les résistances, quant à elles, modélisent les pertes.
1.3.2.a - Modèle de la cellule photovoltaïque
Fig. 1.7 - Modèle d’une cellule photovoltaïque
Fig. 1.8 – Caractéristiques courant-tension et puissance-tension d’une cellule
photovoltaïque.
7
Paramètres de la cellule photovoltaïque :



Le courant de court-circuit icc pour lequel v=0
La tension de circuit ouvert vco pour laquelle i=0
La puissance optimale pM=vPM x iPM avec :
(1.1)

Elle est trouvée à partir de l’algorithme MPPT « Maximum Power Point Tracking »
Le facteur de forme : Il indique la déviation de la caractéristique I-V par rapport à un
rectangle de longueur vco et de largeur icc. Ce rectangle correspond à la cellule
photovoltaïque idéale.
(1.2)

Rendement : La puissance est nulle dans le cas d’un court-circuit, passe par un
maximum, puis est nulle dans le cas d’un circuit ouvert.
(1.3)
Ѱ étant l’éclairement, et S la surface totale de la cellule photovoltaïque.
1.3.2.b - Modèle du module photovoltaïque
Fig. 1.9 - Modèle d’un module photovoltaïque
Fig 1.10 - Caractéristique I-V résultante d'un module photovoltaïque
8
Les courants sont multipliés par le coefficient Ncp, les voltages par le coefficient Ncs et
les résistances par le coefficient
.
(1.4)
(1.5)
(1.6)
(1.7)
(1.8)
(1.9)
(1.10)



Rsh : Résistance shunt. (Ω). On attribue la résistance shunt au processus de fabrication.
Elle représente la perte par recombinaison des porteurs dans la jonction. Elle a une
influence pour les faibles courants ; elle est généralement considérée comme étant
infinie. Plus elle est grande, meilleure est la performance de la cellule.
Rs : Résistance série. (Ω). La résistance série est la résistance du semi-conducteur et des
électrodes de la cellule. Elle représente les pertes par effet Joule. Plus elle est petite,
meilleure est la performance de la cellule.
Iph : Photo-courant de cellule.
(A)

(1.11)
o Ѱ l’éclairement. (W/m2)
o Ѱref l’éclairement de référence. (W/m2)
o Iph,ref photo-courant de référence. (A)
o μ Icc coefficient de température du courant de court-circuit.
(A/degrés)
o Tc température de la cellule photovoltaïque. (degrés Kelvin)
o Tc,ref température de référence de la cellule photovoltaïque.
(degrés Kelvin)
Id : Courant traversant la diode.
(
) (A)
(1.12)
o I0 : courant de saturation inverse de la diode.
(
) (A)
(1.13)
9





q : charge de l’électron. q = 1,602 x 10-19 C
k : constante de Boltzmann k = 1.381 x 10-23 J/K
γ : facteur d’imperfection de la cellule. γ = A x Ncs x Ns
 Ncs : nombre de cellules en série.
 Ns : nombre de modules en série.
 A : facteur d’idéalité de la cellule.
I0,ref : courant de saturation référence.
Tc : température de la cellule (degrés Kelvin).
Tc,ref : température référence de la cellule (degrés Kelvin).
Eg : énergie de gap du matériau (eV)
Ir : Courant dans la résistance shunt.

I : Courant délivré par une cellule photovoltaïque.



(
)
La résistance shunt sera négligée.
(
)
Il est important d’étudier trois points de fonctionnement de la cellule
photovoltaïque :

Au court-circuit : I = Icc V = 0
(

Au circuit ouvert : I = 0 V = Vco
(

)
)
A la puissance maximale : I = IPM ; V = VPM PM = VPM x IPM
10
Nous avons :
(1.14)
(
)
(1.15)
Nous allons admettre par la suite, que :


(1.16)
L’exponentielle est beaucoup plus grande que 1, donc nous éliminons 1
Et nous aurons :
o
(
)
(1.17)
(
o
)
(1.18)
Ces équations permettent de trouver γ et I0,ref :
(1.19)
(1.20)
La résistance série, quant à elle, est choisie telle que :
(
)
Le fabricant donne la température de la cellule photovoltaïque pour le fonctionnement
dans les conditions normales. Cependant la température de la cellule change ; et ce
changement influe sur la simulation.
Il faut noter que la température de la cellule photovoltaïque est constante en tout point
de la cellule, puisque celle-ci est formée d’une fine couche.
La température de la cellule dépend :


De la température ambiante
Du taux de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique
11
Ainsi, Pelec = Pabsorbee – Pdissipee
Ѱ x S x η = Ѱ x S x τ – UL x S x (Tc - Tambiante)
Avec:
o η rendement de la conversion électrique.
(1.21)
(1.22)
o τ quotient de l’énergie absorbée sur l’énergie incidente.
o UL coefficient des pertes par convection, conduction et radiation de la
cellule.
𝑈L
(1.23)
avec NOCT : température nominale de fonctionnement de la cellule
photovoltaïque qui est définie aux conditions standard.
o S surface du module.
En réarrangeant l’équation, nous obtenons :
(1.24)
Les quatre paramètres de ce modèle sont donc :

Iph,tot : photo-courant qui est fonction de l’éclairement Ѱ et de la
température de la cellule Tc.

I0,tot : courant de saturation inverse de la diode qui est fonction de la
température de la cellule Tc.

γ tot : facteur d’idéalité qui est constant.

Rs,tot : résistance série qui est constante.
Nous avons donc deux paramètres variables qui régissent le modèle d’un module
photovoltaïque :

l’éclairement Ѱ.

la température ambiante Ta.
Modélisation de la chaîne des panneaux photovoltaïques.
Il faut cependant noter que les modules ne sont pas tout à fait identiques ; mais pour une
tolérance de 5 à 10 %, les conséquences de ces différences ne sont pas perçues.
(1.25)
(1.26)
(1.27)
12
(1.28)
Donc :
(1.29)
(1.30)
1.4-Conclusion
Le modèle élaboré par Townsend est très fiable et son importance réside dans le fait
qu’il emploie uniquement des paramètres fournis par le fabriquant. Il va être utilisé pour
la simulation de l’ensemble des modules photovoltaïques sur LabVIEW.
13
CHAPITRE 2 :
DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME
PHOTOVOLTAÏQUE
2.1-Introduction
Nous avons choisi une maison existante, située à Baabdath-Metn (Mont-Liban). Les
coordonnées de Baabdath sont : 33°53′N et 35°40′E. La maison est située à 800m
d’altitude. L’étude élaborée tient compte de la consommation réelle de la maison qui a
été évaluée à partir des différentes factures.
Un dimensionnement complet du système a été élaboré afin de conduire une étude
économique plus exacte.
2.2-Definition du système photovoltaïque
Fig 2.1 - Schéma explicatif du système photovoltaïque étudié.
14
2.2.1-Scénarios concrets

Si le réseau public est absent (coupure EDL), que la maison ne consomme pas
d’électricité et qu’il y a du soleil :
L’électricité produite par les panneaux photovoltaïques va servir à charger les
batteries.
Fig 2.2 – Scénario 1

Si la maison consomme un peu d’électricité :
o Une partie de l’électricité produite par les panneaux est convertie en
courant alternatif (grâce à l’onduleur) pour être consommée.
o L’autre partie va servir à charger les batteries.
Fig 2.3 – Scénario 2
15

En absence de soleil ou pendant la nuit, la production photovoltaïque s’arrête :
L’onduleur va commencer à vider les batteries afin d’alimenter la maison.
Fig 2.4 – Scénario 3

Si en absence de soleil ou pendant la nuit, l’alimentation du réseau public
revient, l’électricité va être utilisée pour :
o Alimenter la maison
o Charger les batteries
Fig 2.5 – Scénario 4
16
2.3-Consommation domestique
La consommation électrique d’un ménage varie au cours du temps. Certains appareils
électriques sont branchés en permanence (réfrigérateur, congélateur, etc.) ; d’autres sont
utilisés à différents moments de la journée.
Pour définir la consommation d’un ménage en vue du dimensionnement d’un système
photovoltaïque, trois questions sont importantes :
1. Quelle est la puissance maximale utilisée ? (Combien d’appareils sont utilisés en
même temps ?)
2. Quelle est la quantité totale d’énergie utilisée pendant un an ? (en KWh)
3. A quels moments de la journée, l’énergie est-elle utilisée ?
2.3.1 - Différents profils de consommation
Fig 2.6 - Consommation d’une journée en semaine-Profil A
Fig 2.7 - Consommation d’une journée en fin de semaine-Profil B
17
Fig 2.8 - Consommation qui suit la production solaire-Profil C-Cas idéal
2.3.2 – Consommation actuelle
A partir de factures existantes pour l’année 2012, nous avons élaboré les graphes
suivants.
Fig 2.9 - Consommation en KWh tirée des factures EDL pour l’année 2012
18
Fig 2.10 - Consommation en L.L tirée des factures EDL pour l’année 2012
Nous avons une consommation annuelle de 2831 KWh pour l’année 2012 provenant
uniquement d’EDL qui a été payée 134355 L.L soit 90 $.
Fig 2.11 - Consommation en L.L tirée des factures de l’abonnement au générateur local
pour l’année 2012
En considérant les factures payées pour l’abonnement au générateur local, nous pouvons
estimer que les coupures d’électricité ont été de 3650h/an sur les 8760h/an, soit
(3650/8760)*100 = 42% de coupure du réseau. Par un simple calcul de proportionnalité,
nous estimons la consommation annuelle provenant uniquement de l’abonnement au
générateur, qui est de l’ordre de 2500KWh, qui a été payée 1900500L.L soit 1270$.
19
Nous obtenons alors une consommation annuelle de l’ordre de 5500KWh, et un coût de
1270 + 90 = 1360$/an, soit 113$/mois.
Voici regroupées, les consommations des différents appareils électriques de la maison.
Consommation
Froid
Type
d'appareil
Puissance
de
l'appareil
(W)
Période
d'utilisation
Fréquence
d'utilisation
Frigo
combi (250
litres), label
C
DE 200 à
350 W
365 jours
En continu
Consommation
annuelle
moyenne(Kwh)
Nb.
D'appareils
annuelle
moyenne
totale(Kwh)
700
1
700
0
Loisir
TV LCD en
service
De 90 à
250 W
335 jours
5h/jour
284
1
284
TV LCD en
mode veille
De 3 W
365 jours
En continu
22
1
22
Ordinateur
avec écran
plat
De 70 à
80 W
240 jours
4 h/jour
72
2
144
Ordinateur
avec écran
plat
en
mode veille
DE 3 W
365 jours
En continu
25
2
50
0
Entretien
du linge
Machine à
laver
C
(coton
60°C)
DE 2500
à 3000 W
48 semaines
4
cycles/semaine
259
1
259
Fer
repasser
De 750 à
1100 W
48 semaines
5h/semaine
260
1
260
à
0
0
Toilette
Rasoir
électrique
De 8 à 12
W
335 jours
5 min./jour
0.3
1
0.3
Sèche
cheveux
De 300 à
600 W
48 semaines
30 min./jour
11
1
11
0
Éclairage
Lampadaire
avec lampe
économique
De 30W
335 jours
7 h/jour
70
48
3360
0
Cuisine
Four
classique
De 2000 à
2500 W
48 semaines
2 h/semaine
216
1
216
20
Mixer/mixe
soupe
De 100 à
150 W
48 semaines
10
min./semaine
1
1
1
Hotte
de 70 à
150 W
335 jours
40 min./jour
25
1
25
0
Panneau
Solaires
Eau
chaude
0W
335 jours
10l/jour
0
1
0
0
Chauffage
Circulateur
chauf. cent.
(nonpermanent)
De 40 à
60 W
240 jours
6h/jour
72
1
72
0
Divers
Radioréveil
De 3 à 6
W
365 jours
En continu
20
2
40
Tondeuse
électrique
De 1000 à
1500 W
32 semaines
1h/semaine
40
1
40
Tableau 2.1 – Consommation des appareils électriques de la maison
Selon ce tableau nous avons considéré plusieurs scénarios de charges fonctionnant
ensemble et calculé l’intensité consommée en Ampères :
 Pendant le jour:
Scénario 1:
1.68A
Scénario 2:
5.5A
Scénario 3:
12.9A
Scénario 4:
15.3A
Scénario 5:
4.9A
Scénario 6:
14.8A

Pendant la nuit:
Scénario 1:
3.7A
Scénario 2:
6.11A
Scénario 3:
10A
Scénario 4:
17.4A
Scénario 5:
1.68A
21
2.4-Composants du système
2.4.1 - Les panneaux photovoltaïques:
Ils convertissent la lumière du soleil en électricité, sous forme de courant continu.
Le but des panneaux photovoltaïques est de produire de l’énergie qui va remplacer
l’abonnement au générateur local pour ainsi éliminer cette facture et également de
réduire la quantité d’électricité prélevée d’EDL et ainsi réduire la facture mensuelle ;
La puissance des panneaux est exprimée en Watt. Pour les panneaux, on parle de Wattcrête (Watt-Peak) : il s’agit de la puissance que les panneaux vont produire dans des
conditions optimales (beaucoup de soleil, température modérée, etc.).
Le groupe des panneaux est modulable et il est possible d’ajouter des panneaux après
quelques années.
Le panneau choisi est le ET-P660250WW/WB du fabricant ET.
Voici ses caractéristiques :
Fig 2.12 – Caractéristiques du panneau photovoltaïque



La consommation annuelle déjà calculée est de 5500Kwh ; en prenant en considération
de nouveau le 42% de coupure EDL et le module photovoltaïque choisi de :
250w
1*1.6m2
375Kwh/an
Nous aurons besoin de : (5500*42%) / 375 = 6 panneaux
Nous pouvons mettre un maximum de 3 panneaux en série => ici 3série/2parallèle.
22
2.4.2 - Chargeur de batteries: régulateur de charge [4]
La fonction principale d'un régulateur de charge dans un système PV autonome est de
maintenir la batterie à son meilleur état de charge tout en la protégeant contre la
surcharge par le réseau et la décharge excessive par les charges.
Les fonctions importantes de contrôleurs de charge de la batterie et des contrôles du
système sont:
· Empêcher la surcharge de la batterie: pour limiter l'énergie fournie à la batterie par le
photovoltaïque lorsque la batterie est complètement chargée.
· Prévenir une décharge excessive de la batterie: de débrancher la batterie contre les
charges électriques lorsque la batterie atteint un faible état de charge.
· Fournir des fonctions de contrôle de charge: pour connecter et déconnecter
automatiquement une charge électrique à un délai déterminé, par exemple l'exploitation
d'une charge d'éclairage du coucher au lever du soleil.
2.4.2.a – Protection contre la surcharge
Le but d'un régulateur de charge est de fournir une alimentation à la batterie d'une
manière qui recharge complète de la batterie, sans surcharge. Sans le régulateur de
charge, le courant provenant du réseau s'écoule dans une batterie d’une manière
proportionnelle à l'éclairement, sans prendre en considération si la batterie a besoin
d'être rechargée ou non. Si la batterie est complètement chargée, la charge non
réglementée entraînera la tension de la batterie a atteindre des niveaux extrêmement
élevés, ce qui provoque gazage grave, la perte d'électrolytes, chauffage interne et
accélération de la corrosion de la grille. Dans la plupart des cas, si une batterie n'est pas
protégé contre la surcharge dans le système PV, une défaillance prématurée de la
batterie et la perte de charge sont susceptibles de se produire.
Les régulateurs de charge évitent toute surcharge excessive de la batterie en
interrompant ou en limitant le courant provenant des panneaux à la batterie lorsque la
batterie est complètement chargée. La régulation de la charge est le plus souvent
réalisée en limitant la tension de la batterie à une valeur maximale, souvent désigné
comme la « régulation de tension » du point de consigne.
2.4.2.b – Protection de la décharge excessive :
Pendant les périodes d'ensoleillement inférieur à la moyenne et / ou pendant les périodes
d'utilisation excessive de la charge électrique, les l'énergie produite par le générateur
photovoltaïque peut ne pas être suffisant pour maintenir la batterie complètement
rechargée. Quand la batterie est complètement déchargée, la réaction se produit dans la
pile à proximité de la grille, et affaiblit la liaison entre les matières actives et les grilles.
Quand une batterie est trop déchargée à plusieurs reprises, la perte de la capacité et de sa
23
durée de vie finiront par se produire. La protection de la décharge excessive est
habituellement accomplie par l’ouverture du circuit de la connexion entre la charge
électrique et la batterie lorsque la batterie atteint une charge préétablie ou une « charge
de connexion basse tension » (Low Voltage load Disconnect - LVD) point de consigne.
La plupart des régulateurs de charge ont également un voyant lumineux ou une alarme
audible pour alerter l'utilisateur / opérateur. Une fois que la batterie est rechargée à un
certain niveau, les charges sont de nouveau reconnectées à la batterie.
2.4.2.c – Points de consigne du régulateur de charge :
Les niveaux de tension de batterie au cours desquelles un dispositif de commande de
charge réalise une commande sont appelés points de consignes du contrôleur. Quatre
points de consigne de contrôle de base sont définis pour la plupart des régulateurs de
charge. La « Régulation de tension » (Voltage Regulation - VR) et la « Tension de
reconnections des panneaux » (Array Reconnect Voltage - ARV) se réfèrent à des points
de consigne de tension à laquelle le réseau est connecté et déconnecté de la batterie. La
« Charge de connection basse tension » (Low Voltage load Disconnect - LVD) et
« Tension de reconnexion a la charge » (Load Reconnect Voltage - LRV) se réfèrent à
l'ensemble de tension points au niveau desquels la charge est déconnectée de la batterie
pour empêcher une décharge excessive. La figure qui suit montre les points de consigne
d’un contrôleur basique sur un schéma simplifié tracé tension en fonction du temps de
batterie pour un cycle de charge et de décharge. Une discussion détaillée de chaque
point de consigne suit.
Fig 2.13 – Point de consigne du régulateur de charge
24
« Régulation de tension » :
La régulation de tension (VR) est l'une des caractéristiques clés pour les régulateurs de
charge. La tension de régulation est définie comme la tension maximale que le
régulateur de charge permet à la batterie à atteindre, limitant la surcharge de la batterie.
Une fois que le contrôleur détecte que la batterie atteint le point de consigne de la
régulation de tension, le régulateur arrête le chargement de la batterie.
Un point important à noter à propos de la consigne de régulation de tension est que les
valeurs nécessaires pour les performances optimales de la batterie dans les systèmes
photovoltaïques autonomes sont généralement beaucoup plus élevées que la
réglementation ou recommandés par les fabricants de batteries. C'est parce que dans un
système PV, la batterie doit être rechargées pendant une période de temps limitée
(pendant les heures d'ensoleillement), tandis que les fabricants de batteries permettent
généralement de recharger beaucoup plus longs lorsqu'il s'agit de déterminer leurs
limites de tension de régulation optimale. En utilisant un supérieur point de consigne de
régulation dans les systèmes PV, la batterie peut être rechargée en une période de temps
plus courte.
« Tension de reconnexion des panneaux » :
Une fois le courant des panneaux est déconnecté de l'ensemble de régulation de tension,
la tension de la batterie commence à diminuer. La vitesse à laquelle la tension de la
batterie diminue dépend de nombreux facteurs, notamment le taux de charge avant de
débrancher, et le taux de décharge électrique dictée par la charge. Lorsque la tension de
la batterie diminue jusqu'à une tension prédéfinie, les panneaux sont à nouveau
reconnectés à la batterie pour reprendre la charge. Cette tension est définie comme la
tension de reconnections des panneaux (ARV).
« Charge de connexion basse tension » :
La charge de connexion basse tension est soit un relais ou un commutateur à semiconducteur qui interrompt le courant de la batterie à la charge. C’est la tension à
laquelle la charge est déconnectée de la batterie pour empêcher une décharge excessive.
En général, la charge connexion basse tension en systèmes photovoltaïques est
sélectionnée pour décharger la batterie à pas plus de 75-80% de profondeur de décharge.
25
« Tension de reconnexion à la charge » :
Après que le dispositif de commande déconnecte la charge de la batterie à la valeur de
consigne basse tension, la tension de la batterie atteint sa tension en circuit ouvert.
Lorsque la charge supplémentaire est fournie par le réseau ou une source de secours, la
tension de la batterie augmente encore plus. À un certain moment, le contrôleur détecte
que la tension de la batterie et l'état de charge sont suffisamment élevés pour
reconnecter la charge. La sélection de la tension de reconnexion a la charge doit être
suffisamment élevée pour s'assurer que la batterie a été un peu rechargée, mais pas
élevés au point de sacrifier la disponibilité de charge en permettant aux charges d’être
déconnecté pour longtemps.
2.4.2.d - Schéma du régulateur de charge :
Deux méthodes de base existent pour régler ou réguler la charge d'une batterie d'un
module PV : shunt et série. Bien que ces deux méthodes soient effectivement utilisées,
chaque méthode peut intégrer un certain nombre de variations qui modifient leurs
performances de base et l'applicabilité.
Conception de l’interruption série :
Le contrôleur la plus simple est la coupure de type série, impliquant un contrôle en une
seule étape, en tournant courant de charge soit allumé ou éteint. Le régulateur de charge
surveille en permanence la tension de la batterie, et déconnecte ou court-circuite les
panneaux en série lorsque la batterie atteint la tension de consigne de régulation.
Après une période prédéfinie de temps, ou lorsque la tension de batterie descend a la
tension de reconnections des panneaux, les panneaux et les batteries sont reconnectés, et
le cycle se répète.
Fig 2.14 – Schéma du régulateur de charge
26
2.4.3 - Le groupe de batteries :
Il stocke l’énergie électrique venant des panneaux ou du réseau public (EDL) pour une
utilisation ultérieure.
Plus la quantité de batteries est importante, plus le système va être capable de stocker
une grande quantité d’énergie pendant longtemps.
De plus, la durée de vie des batteries (en général 5 ans) va fortement dépendre du
nombre de cycles charge-décharge, ainsi que du niveau de décharge (par exemple 20%,
30% ou 50%).
Il faut donc trouver un compromis entre :





Installer beaucoup de batteries pour que le niveau de décharge soit moins important,
et donc augmenter la durée de vie des batteries.
Installer moins de batteries pour réduire le coût du système.
Pour connaitre la taille d’un groupe de batteries donné, il faut multiplier :
Le nombre de batteries
La tension des batteries (en Volts)
La capacité des batteries (en Ampère-heure)
L’avantage du groupe de batterie est qu’il est modulable : il est possible de rajouter
quelques batteries après un ou deux ans d’utilisation, si cela s’avère nécessaire.


Nous avons une consommation annuelle de l’ordre de 5500KWh, avec une estimation
de 42% de coupure du réseau EDL.
Nous aurons 6.32KWh/jour que les panneaux doivent supporter.
De plus nous considérons que les batteries ne doivent pas se vider plus que 20% de leur
capacité, nous aurons 6.32+20% = 7.58Kwh/jour.
Pour le choix de batteries de 12V et 100Ah nous aurons besoin de :
7.58 / (12*100) = 6 batteries
Pour le choix de batteries de 6V et 400Ah nous aurons besoin de : 7.58 / (6*400) = 4
batteries
Les onduleurs 5 et 10 A fonctionnent sous 24V, donc nous avons le choix entre 2x
batteries de 12V ou 4y batteries de 6V (x et y sont des entiers).
Nous choisissons 6 batteries 12V-100Ah => 2série/3parallèle.
27
Fig 2.15 - Schéma du groupe de batteries
2.4.4 - L’onduleur
Sa fonction principale est de convertir le courant continu, qu’il puise dans les batteries,
en courant alternatif qui peut être utilisé par les appareils électriques de la maison ou,
sinon, peut être injecté dans le réseau public. L’onduleur peut aussi convertir le courant
dans l’autre sens (AC => DC) afin de charger les batteries à partir de l’électricité venant
du réseau public.
Le choix de la puissance de l’onduleur va conditionner la puissance instantanée qui peut
être consommée, c’est-à -dire le nombre d’appareils électriques qui peuvent être utilisés
en même temps. Un onduleur de 5A couvre 4 scénarios tandis qu’un onduleur 10A
couvre 7 scénarios. Le choix de la puissance de l’onduleur doit se faire en prenant
compte de l’évolution future de la consommation puisqu’il a une durée de vie de 25 ans.
Dans ce cas, l’onduleur 10A est intéressant car il permet de couvrir plus de
scénarios.
2.4.5 – Le générateur de secours (optionnel) : Il est dimensionné 5KVA. Il est
éventuellement utilisé lors d’une rupture du réseau EDL et de l’absence de génération
photovoltaïque.
Conclusion :
 1 Onduleur 10A
 6 batteries 12V, 100Ah - 2série/3parallèle
 6 panneaux 250W - 3série/2parallèle
28
2.5-Etude économique
Voici les prix de la société ME Green basée à Beyrouth :
Tableau 2.2 – Prix des différents composants du système
Il est possible de prendre un prêt vert sur 10 ou 15 ans à environ 1.75% de taux
d’intérêt. Comme déjà dit, la durée de vie de l’onduleur et des panneaux est de 25 ans
et celle des batteries 5 ans, dont pour faire le calcul sur 25 ans, on va considérer que
nous achèterons 5 fois ces batteries, donc un total de 5x6 = 30 batteries.
On aura le total : [8232 + (4x1242) = 13200 + 10% TVA => 14520$
Calcul du versement sur 10 ans : 14520 x [1 + (1.75 / 100)] 10 = 17270$ => 143$/mois.
Calcul du versement sur 15 ans : 14520 x [1 + (1.75 / 100)] 15 = 18835$ => 104$/mois.
Rappelons que :
La consommation annuelle provenant uniquement de l’abonnement au générateur est
payée 1270$ => 105$/mois
La consommation annuelle
7.5$/mois.
provenant uniquement de l’EDL est
payée
90$ =>
Dans le tableau qui suit, nous présentons les sommes annuelle et mensuelle pour les 3
cas :
1. EDL et générateur
2. EDL et générateur photovoltaïque avec un prêt sur 10 ans
3. EDL et générateur photovoltaïque avec un prêt sur 15 ans
29
Année
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Total
sans
EDL
Total
avec
EDL
Facture
EDL+Gen.
/mois
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
113.3
Vers.
annuel
PV sur
10 ans
Vers.
mensuel
PV +
EDL sur
10 ans
151.4
151.4
151.4
151.4
151.4
151.4
151.4
151.4
151.4
151.4
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
Vers.
annuel
PV sur
15 ans
Tarif EDL
annuel
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
90
Tarif Gen.
Local
annuel
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
1270
2250
31750
17270
19520
34000
19520
21770
1727
1727
1727
1727
1727
1727
1727
1727
1727
1727
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1255
1255
1255
1255
1255
1255
1255
1255
1255
1255
1255
1255
1255
1255
1255
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Vers.
mensuel
PV +
EDL sur
15 ans
112.1
112.1
112.1
112.1
112.1
112.1
112.1
112.1
112.1
112.1
112.1
112.1
112.1
112.1
112.1
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
Tableau 2.3 – Sommes annuelle et mensuelle pour les 3 options
30
25eme année
23eme année
24eme année
22eme année
21eme année
1ere année
2eme année
3eme année
4eme année
5eme année
6eme année
7eme année
8eme année
9eme année
10eme année
11eme année
12eme année
13eme année
14eme année
15eme année
16eme année
17eme année
18eme année
19eme année
20eme année
200.0
EDL & Generateur
150.0
100.0
EDL & PV sur 15ans
50.0
0.0
EDL & PV sur 10ans
Fig 2.16 – Variation de la facture énergétique totale mensuelle
Nous remarquons que si le paiement se fait sur 10 ans nous économisons 45.6% du
coût de l’abonnement au générateur local, et si le paiement se fait sur 15 ans nous
économisons 38.5%, ce qui est très rentable et économique.
 Ces calculs sont faits sans prendre en considération l’inflation du prix du fuel.
 Ces calculs n’incluent pas le prix du générateur de secours de 5KVA qui est de l’ordre
de 1000$.
 La facture d’EDL va diminuer à cause de l’utilisation des PV, mais cette diminution est
négligeable puisque le prix du KWh est bas. De plus si le système Net-Metering est
utilisé, chaque KWh vendu va être retranché de la consommation de la maison.
Ces facteurs augmentent encore plus l’économie qui sera faite en utilisant le système
photovoltaïque.
2.6-Conclusion
Ce chapitre montre bien l’intérêt économique de l’utilisation du système photovoltaïque
à la place de l’abonnement au générateur local. Cependant il faut souligner également
l’intérêt écologique !
31
CHAPITRE 3 :
SIMULATION ET
PROGRAMMATION SUR LABVIEW
ET RIO
3.1-Introduction
LabVIEW est une plate-forme de programmation graphique adaptée aux systèmes de
toutes tailles, de la phase de conception jusqu'au test. Sa capacité d'intégration avec les
logiciels, IP et matériels d'ancienne génération existants est inégalée, tout en tirant le
meilleur parti des toutes dernières technologies informatiques. LabVIEW fournit les
outils pour résoudre les problèmes actuels, et offre la capacité d'innover, plus
rapidement et plus efficacement. Le kit d'évaluation LabVIEW RIO inclut tous les
éléments nécessaires pour concevoir des systèmes embarqués avec le système graphique
de conception de NI. Cette approche combine le logiciel de conception de systèmes
LabVIEW et des plates-formes matérielles NI d'E/S reconfigurables (RIO) standard
dotées de la technologie FPGA, afin de réduire le temps de mise sur le marché
d'applications de contrôle et de surveillance embarquées.
32
3.2-Simulation de la génération photovoltaïque sur LabVIEW
[1][2]
3.2.1 – Réalisation
La réalisation de cette simulation est schématisée, et est présentée en annexes (Annexes
A et B).
Deux environnements sont à distinguer dans LabVIEW :


Block diagram : le programme est implémenté dans cet environnement. LabVIEW
permet de créer des VI (Virtual Instrument), « Instrument Virtuel » et en contient aussi.
Ils sont utilisés dans le block diagram. Le câblage s’y fait également.
Front panel : C’est la partie principale du programme ; on y contrôle les différentes
variables (Control), constantes (Constant). La visualisation des résultats sous forme de
valeurs, tableaux, graphes (Indicator) etc. s’y fait également.
Nous allons expliciter les VI que nous avons utilisé pour les deux parties A et B de la
simulation :
A-VI-Modélisation module PV : Calcul des différents paramètres :
Dans cette partie nous avons principalement utilisé la VI « Formula » qui consiste à
brancher les différentes entrées (Control et Constant) utilisées dans la formule, préciser
la formule désirée, et obtenir ainsi le résultat (Indicator).
B-Génération de la caractéristique I-V :
 Une boucle « for » est d’abord utilisée pour assurer la génération de 100
différents voltages afin d’obtenir la caractéristique I-V des modules
photovoltaïques. Ainsi I est calculée pour chacun de ces 100 voltages.
 « Wait until next ms multiple » est utilisé pour contrôler la fréquence
d’exécution de la boucle « for ». Plus la valeur est petite, plus rapide est
l’exécution.
 Une « Sub-VI » Modélisation module PV est placée dans le block
diagram. Ses entrées sont la température ambiante et l’éclairement
(Control) ainsi que la résistance Rs (Constant). Ses sorties sont ensuite
utilisées pour le calcul de la formule de Id qui est fonction de I et de V.
 Nous créons un système de deux équations à deux inconnues I et V :
i.
(
)
ii.
Avec Vimposée générée de la manière suivante : Vco est divisée par le nombre
de voltages voulus qui est 100 (création du pas), pour ensuite être multipliée
par l’indice de l’itération. Vimposée est ainsi créée. À chaque passage de la
boucle « for », un voltage est créé, espacé de celui d’avant du pas généré.
33
Ces équations sont passées à la VI « Format into string ». Les paramètres
sont remplacés par le format %f (floating point) pour être lus correctement.

Les sorties de « Format into string » sont les entrées de la VI « Build
Array ». La sortie de cette dernière est à son tour, l’entrée F(X) de la VI
« Non linear system solver ». L’entrée X est l’ensemble des variables I et V.
Cette VI a trois paramètres à prendre en considération :
i. Le nombre d’essais : c’est le nombre de points choisis au hasard pour
commencer la recherche des zéros des équations.
ii. Début et Fin : Ils définissent l’intervalle où sont choisis ces points.
Les sorties de cette VI sont les zéros (tableau à deux dimensions) et l’erreur.



Les zéros sont les entrées de deux Sub-VI « Build array » dont la fonction
est de retourner à chaque itération de la boucle « for » la valeur du zéro.
Ainsi les voltages sont à la colonne 0 et les intensités à la colonne 1.
Une fois le voltage et l’intensité connus, ils sont multipliés respectivement
par le nombre de modules en série et en parallèle. Les résultats sont l’entrée
de la VI « Bundle » qui est elle-même reliée à la VI « XY graph ». Celle-ci
va montrer la caractéristique I-V. A noter que seule la courbe I(V) va être
montrée, puisque c’est celle qui nous intéresse.
La puissance est trouvée à partir du produit de l’intensité par la tension. La
recherche de la puissance maximale se fait à l’aide de la VI « Array Max &
Min ». L’index de la puissance maximale est ensuite transféré aux tableaux
du voltage et de l’intensité pour trouver VPM et IPM. Ceci est une
modélisation simplifiée de l’algorithme MPPT « Maximum Power Point
Tracking »
3.2.2 – Résultats
Quelques caractéristiques I-V obtenues par la simulation sur LabVIEW montrent
l’influence de l’éclairement et de la température ambiante.
34
Pour une même température de 25ºC, nous essayons 3 éclairements : 800W/m2,
600W/m2, 400W/m2. Nous remarquons une forte augmentation de I avec l’éclairement.
Fig 3.1 - Eclairement de 400 W/m2
Fig 3.2 - Eclairement de 600 W/m2
Fig 3.3 - Eclairement de 800 W/m2
35
Pour un même éclairement de 800W/m2, nous essayons 3 températures : 20ºC, 25 ºC, 30
ºC. Nous remarquons une faible augmentation de I avec la température.
Fig 3.4 - Température de 20 ºC
Fig 3.5 - Température de 25 ºC
Fig 3.6 - Température de 30 ºC
36
3.3-Programme de contrôle sur RIO [3]
3.3.1 – Organigramme général
L’organigramme
général
est
présenté
en
annexe
(Annexe
Le schéma de connexion de la maquette est présenté en annexe (Annexe F)
C)
Puisque notre programme se base sur des états, de transition et d’événement, donc on a
choisi de l’implémenter avec la « state machine » qui représente un diagramme d’états.
On choisit le nombre d’états que nous voulons :
1. Idle, qui est l’état ou on attend la nouvelle commande et nous mène par suite a
l’état correspondant
2. EDL, qui est l’état de présence d’EDL, si les batteries ne sont pas suffisantes
pour alimenter la charge, on se branche au réseau EDL.
3. GEN qui représente les commandes à suivre s’il y a coupure du réseau EDL et
si les batteries sont insuffisantes. Ce serait un générateur de secours.
4. PV, qui est l’état où l’alimentation se fait par l’intermédiaire des panneaux
photovoltaïques.
5. Post-PV, qui est l’état qui détecte si le réseau EDL est présent après que la
charge ne soit plus supportée par les panneaux, et par suite nous mène a l’état
EDL ou Gen selon ce résultat
6. Stop, qui est l’état qui nous permet d’arrêter le programme
Les entrées se font à l’aide d’un tableau à index, et puis chaque index correspond
à un état de la state machine.
Pour la programmation des commandes « tandis que » et « si, sinon » on a utilisé
le « case selector » et « while loop ».
Pour les temporisations on a utilisé les « flat sequences » qui assurent la
démarche indiquée avec le temps qu’on spécifie.
Les fonctions de comparaison ≤, ≥, ≠, ∩ sont faites par des fonctions
arithmétiques et de comparaison.
3.3.2 – Programme du régulateur de charge
La réalisation de ce programme est schématisée, et est présentée en annexe (Annexe D).
37
3.3.3 – Programme de la synchronisation
La réalisation de ce programme est schématisée, et est présentée en annexe (Annexe E).
Tension de la
batterie ≥
Régulation de la
tension
Réseau EDL
present
Synchronisation
Le but de la synchronisation c’est de réduire la facture d’EDL.
Quand nos batteries sont chargées au maximum, au lieu de les déconnecter du système
photovoltaïque, si la présence d’EDL est détectée, on synchronise les deux tensions afin
d’obtenir le même signal et vendre tout l’excès à l’EDL. On appelle ce système le « Net
metering ».
La synchronisation se fait en comparant la fréquence, la phase et l’amplitude du signal
de tension provenant du système photovoltaïque à ceux du réseau EDL, et puis cette
erreur sera l’entrée d’un correcteur PID et la sortie sera une tension photovoltaïque
semblable à celle d’EDL.
3.4-Conclusion
LabVIEW et RIO sont d’excellents outils pour la simulation et le contrôle
respectivement. L’interface de LabVIEW est très simple à utiliser ; nous remarquons
que les résultats obtenus par la simulation sont très proches de ceux fournis par le
fabriquant. RIO permet un contrôle rapide et efficace des systèmes. Il a permis dans
notre cas à très bien gérer les différentes perturbations causées par les sources d’énergie.
38
Conclusion
Cette étude montre l’efficacité et l’utilité du remplacement de l’abonnement au
générateur local par un système de panneaux photovoltaïques. La modélisation de
l’ensemble des panneaux photovoltaïques a permis d’obtenir la caractéristique I-V, et de
savoir ainsi pour un éclairement et une température précis l’intensité obtenue pour un
voltage fixé.
La modélisation pourra être élaborée pour le système complet ; des données
météorologiques sont indispensables.
Le système de contrôle est très simple et efficace ; il prend en compte l’instabilité du
réseau EDL (coupures soudaines brèves ; s’il n’y a pas de génération photovoltaïque, le
générateur de secours ne sera pas allumé tout de suite).
Cette étude a donc traité d’un problème à l’échelle réelle du Liban. Une solution a été
proposée pour remédier à la pollution et aux pertes économiques.
39
Annexe A-Modélisation des panneaux PV
40
Annexe B – Génération de la caractéristique I-V
41
Annexe C – Organigramme général
Etat "Idle"
Oui
Non
Stop?
Etat "Stop"
Non
Debranchement EDL
Debranchement PV
Debranchement generateur
Debranchement des charges
Fin
Oui
Changement de
l'etat du registre de
l"EDL?
Oui
Interrupteur
PV-Charge ferme?
Non
Oui
Etat "Idle"
Changement de
l'etat du registre du
niveau de charge de
la batterie ?
Etat "Idle"
Non
Etat "PV"
Branchement PV
Debranchement EDL
Debranchement Gen.
Eteinte du generateur
Oui
Reseau EDL
present?
temporisation 1s
Non
Branchement charge 1
temporisation 1s
Etat "EDL"
Branchement charge 2
Branchement EDL
Debranchement PV
Debranchement Gen.
Branchement charge 1
Branchement charge 2
Branchement charge 3
temporisation 1s
Etat "Generateur"
Branchement charge 3
temporisation 4s
Etat "Post PV"
Debranchement des
charges
Oui
Reseau EDL
present?
temporisation 6s
Non
Non
Eteinte du generateur
Demarrage du generateur
Etat "Idle"
Etat "Idle"
Reseau EDL
present?
Oui
Non
Interrupteur
PV-Charge ferme?
Oui
Etat "Idle"
Demarrage du generateur
Debranchement EDL
Debranchement PV
temporisation 1s
Branchement generateur
Branchement charge 1
temporisation 1s
Branchement charge 2
temporisation 1s
Branchement charge 3
Etat "Idle"
42
Annexe D – Régulateur de charge.
43
Annexe E – Synchronisation
44
Annexe F - Schéma de connexion de la maquette
ANALOG INPUT
Input
12V-DC
Output
220V-AC
-
0
1
DIGITAL INPUT
1 ACT//LINK
+
0
1
DIGITAL OUTPUT
V1
C
Inverter
Compact RIO
1
2
3
4
5
6
7
8
9
+
S1 S2
Relais 4
24V
Contacteur 2
Contacteur 1
S1 S2
Relais 3
24V
S1 S2
Relais 2
24V
Relais 1
220V
S1 S2
Power Supply
24V-DC
A1 E1 E2 A2 A1 E1 E2 A2 A1 E1 E2 A2
A1 E1 E2 A2
-
Interrupteur EDL
Neutre
+
+
-
-
Batterie 12V
Interrupteur Generateur
Neutre
P
A1 E1 E2 A2
charge 1
N
S1 S2
P
A1 E1 E2 A2
charge 2
N
Relais 7
24V
N
S1 S2
Relais 6
24V
P
Relais 5
24V
S1 S2
A1 E1 E2 A2
charge 3
45
Références bibliographiques
[1] National Instruments, LabVIEW CORE 1 Course & Exercises, Edition aout 2010
[2] National Instruments, LabVIEW CORE 2 Course & Exercises, Edition aout 2010
[3] National Instruments, Compact RIO Course, Edition aout 2010
[4] J. P. DUNLOP, P.E., Batteries and Charge Control in Stand-Alone Photovoltaic
Systems Fundamentals and Application. , Florida, FSEC-CR-1292-01,1997 ,70 pages
[5] J H ECKSTEIN, Detailed modeling of photovoltaic system components, Master of
Science Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison – 1990
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