ETUDE DE L’ECLAIRAGE PUBLIC SOLAIRE

 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DE L’INSTALLATION DU SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE UTILISE INTRODUCTION 

L’énergie solaire est utilisée dans beaucoup d’applications. Parmi celles-ci nous pouvons citer les systèmes photovoltaïques. En effet, un système photovoltaïque est défini comme étant un ensemble de constituants qui permettent de transformer le rayonnement solaire en électricité, en chaleur ou en énergie mécanique.  Dans ce chapitre nous allons voir d’abord les généralités sur le photovoltaïque, et les constituants du système de notre système photovoltaïque. 

GENERALITES SUR LE SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE 

Le système photovoltaïque qui est utilisé est autonome, c’est-à-dire toute la production d’énergie est fournie par les modules photovoltaïques. Il est composé de générateurs photovoltaïques (panneaux solaires), des batteries de stockage, des régulateurs + horloge, des lampadaires et des candélabres. Figure 1: Schéma d’un système photovoltaïque autonome sans onduleur Ce dispositif comporte un module photovoltaïque qui sert de générateur au système. La consommation d’énergie des récepteurs, les pertes éventuelles d’énergie sont produites par le panneau solaire. Entre la batterie et le module photovoltaïque, on a le régulateur de charge équipé d’horloge. Il sert à protéger la batterie contre les surcharges et les décharges profondes. Le générateur photovoltaïque, produit un courant continu quand il reçoit des rayons solaires. La plus grande partie de ce courant, est stockée dans la batterie. Une faible portion est utilisée directement pour faire fonctionner les appareils comme le régulateur et la batterie.

 LES DIFFERENTS CONSTITUANTS DU SYSTEME 

 Les panneaux solaires 

Notre système photovoltaïque se présente sous la forme suivante : Figure 2: Dispositif des panneaux solaires sur la section de route étudiée A- Eléments constitutifs Les panneaux en Silicium polycristallin sont constitués de cellules solaires. Les cellules au Silicium polycristallin sont composées de fines tranches de plusieurs cristaux de Silicium. Leur rendement énergétique est moins bon (environ 14%) par rapport aux cellules monocristallines, 7 mais leur pouvoir d’absorption est meilleur. Ces cellules sont réalisées à base de semiconducteurs, c’est-à-dire ayant des propriétés intermédiaires entre les conducteurs et les isolants. [2] L’élément de base de ces cellules est le Si qui provient de la croûte terrestre. C’est un semiconducteur dont la couche de valence est composée de 4 électrons. En dehors du Si d’autres matériaux sont utilisés pour la fabrication des modules solaires, comme l’Arséniure de Gallium (AsGa) le Tellure de Cadmium (CdTe), le Cuivre Indium de Sélénium (CIS)… En introduisant dans le Si intrinsèque des atomes de bore ou de phosphore, en faible quantité, nous réalisons un dopage. Si l’atome utilisé pour le dopage a 5 électrons dans sa couche de valence, cas du phosphore (P), le dopage est dit de type « n ». Si l’atome utilisé pour le dopage a 3 électrons dans sa couche externe cas du bore (B), le dopage est dit de type « p ». La mise en contact de deux zones à dopages opposés dans un semi-conducteur constitue un élément fort : la diode. A l’interface où les concentrations d’atomes étrangers font le silicium du type p au type n apparaît une région appelée : Zone de charges d’espace (ZCE) qui provient de la tendance des électrons excédentaires de la couche n à vouloir passer du coté de p où ils sont attirés par les trous excédentaires et la tendance des trous à vouloir passer du coté n par réciprocité. [3] L’échange des porteurs dans la ZCE crée un champ électrique qui va contrebalancer l’échange des charges et rétablir l’équilibre. Figure 3: représentation schématique de la ZCE La tension générée par une cellule photovoltaïque au silicium polycristallin qui fonctionne au point de puissance maximale sous éclairement de 1kW/m² est de l’ordre de 0,55 V. Il est alors 8 nécessaire d’associer entre elles en série plusieurs cellules identiques pour obtenir des tensions compatibles avec les charges à alimenter (12V, 24V, 48V, 72V,…) ; cette association constitue un module photovoltaïque. Dans notre cas le panneau est composé de 36 cellules qui sont scindées en deux (2) modules de dix-huit (18) qui sont regroupés en parallèles [1]. Figure 4: Association de nms modules en série et nbp branches en parallèle B – Principe de fonctionnement La jonction qui sert de base à la photopile est une diode. Lorsqu’elle est illuminée, apparaît dans cette diode un photocourant qui dépend de la quantité de lumière incidente.Le silicium cristallin a une réponse spectrale (sensibilité aux différentes couleurs de la source de lumière), qui va du bleu (400nm) au proche infrarouge (1100nm), il est bien adapté au spectre solaire. Un photon dont l’énergie est suffisante c’est-à-dire supérieure à l’énergie du gap du silicium, peut heurter un atome de silicium et lui arracher un électron. Il lui communique une certaine vitesse. Après avoir acquis suffisamment d’énergie, l’électron peut se déplacer dans la jonction pn. Le champ présent dans cette zone, permet la collecte de l’électron vers la région N. La différence de potentiel ainsi créée aux bornes de la structure, caractérise l’effet photovoltaïque et se situe selon les matériaux et la structure de la jonction entre 0.3 et 0.7 V. En général l’épaisseur des cellules varie de 200 à 400 micromètres. Le rendement de conversion varie dans l’intervalle 6 à 20% selon la technologie utilisée (monocristallin, polycristallin silicium amorphe, couches minces…) 

Caractéristiques électriques 

Les panneaux sont en silicium polycristallin, ils sont disposés sur les candélabres avec une inclinaison vers le sud. Le tableau ci-dessous montre les caractéristiques des panneaux du système. Tableau 1 : Caractéristiques techniques des panneaux solaires polycristallin [15] Comportement lors du test dans les conditions (STC) Comportement à 800W/m2 ; NOCT, AM 1,5 Puissance au point de puissance maximale Pmax 150 Wc 110,1 Wc Tension à vide Uoc 22,5 V 20,5 V Tension au point de puissance maximale Umpp 18,3 V 16,6 V Courant de court-circuit Isc 8,81 A 7,17 A Courant au point de puissance maximale Impp 8,27 A 6,62 A Les caractéristiques courant-tension et puissance-tension sont représentées dans la figure cidessous. Figure 5: Courbes I en fonction de V en bleu P en fonction de V en rouge Le point de court-circuit (Icc) 10 Icc représente l’intensité du courant de court-circuit de la cellule lorsque la tension est nulle. Le point de circuit ouvert (Voc) Il représente la tension en circuit ouvert, pour l’intensité du courant nul. Icc et Vcc représentent des cas extrêmes et ne permettent de produire une puissance utilisable. Pour le silicium polycristallin, une cellule photovoltaïque a environ un courant de circuit Icc= 3A et une tension de circuit ouvert Voc= 0,55V Le point de puissance maximum est le point P de coordonnées (Imax-Vmax) Nous constatons que la courbe I = f(V) a la forme d’une marche. L’écart entre l’idéal et cette forme est dû à la présence de résistances internes à la cellule, en série et en parallèle. L’écart est caractérisé par le facteur de forme. FF= 𝐕𝐦𝐚𝐱×𝐈𝐦𝐚𝐱 𝐕𝐨𝐜×𝐈𝐜𝐜 (2-1) AN: FF = 𝟏𝟕,𝟕×𝟕,𝟔𝟑 𝟐𝟐,𝟏×𝟖,𝟑𝟕 = 0, 73 Les caractèristiques citées ci-dessus, des cellules photovoltaïques sont mesurées généralement aux conditions standards (STC), éclairement de 1000W/m2 , une température extérieure de 25°C et un facteur de masse d’air AM=1,5. La puissance crête est définie sous ces conditions, comme étant la puissance maximale délivrée par la cellule. Le rendement de chaque cellule photovoltaïque est défini par rapport de la puissance maximale sur le produit de la puissance lumineuse incidente Φ (W/m2 ) et la surface de la cellule. [1] η = 𝐕𝐦𝐚𝐱×𝐈𝐦𝐚𝐱 𝚽 ×𝐒 (2-2) AN: η = 𝟏𝟕,𝟕×𝟕,𝟔𝟑 𝟏𝟎𝟎𝟎×𝟎,𝟗𝟑 η = 0,145 soit 14, 5%

 Les régulateurs de charges

 Notre système comporte des régulateurs électroniques avec horloge incorporée. Les régulateurs sont de types Steca PR1010N de 12 à 24V (voir photo) : Le régulateur est appelé aussi contrôleur de charge, c’est un système ou appareil électronique fonctionnant de façon complètement automatique auquel sont raccordés le générateur (panneaux solaires, éolienne, etc.), la batterie ainsi que d’éventuels équipements ou composants de l’installation. Le régulateur de charge sert avant tout à contrôler l’état de charge de la batterie. Il permet d’assurer la charge complète de la batterie et prévient de tout risque de surcharge de celle-ci en stoppant l’alimentation lorsque cela s’avère nécessaire. Ce mécanisme de régulation consiste à surveiller en permanence l’état de charge de la batterie. Le régulateur coupe l’alimentation du générateur lorsque l’état de charge de la batterie atteint la valeur limite de fin de charge. Il reconnecte le générateur lorsque la tension redescend suffisamment. Le régulateur coupe l’alimentation de la charge lorsque l’état de charge de la batterie atteint la valeur limite de fin de décharge. Il reconnecte la charge lorsque la tension remonte suffisamment. Le régulateur est protégé contre le court-circuit, l’inversion de polarité, la surtension, etc. Cette surveillance et cette protection permanente permettent ainsi de prolonger de façon importante les performances et la durée de vie des batteries. En général, pour les systèmes photovoltaïques, nous avons deux grandes familles de régulateurs de charges (les régulateurs séries et les régulateurs shunt ou parallèle) représentants chacun un modèle de régulation et de contrôle. Ils peuvent être regroupés selon leur modèle de régulation de base en trois groupes : la régulation série, la régulation parallèle et l’autorégulation. Dans le cas de notre étude nous allons utiliser le régulateur shunt. Ce type de régulateur permet de réguler et contrôler la charge de la batterie. Il est branché en parallèle sur le module solaire. Il joue le rôle de dissipation de l’excédent d’énergie par le panneau solaire lorsque la tension de la batterie est maximale. Figure 7: Principe de fonctionnement d’un régulateur parallèle Dans ce type de régulation, tout le courant du panneau solaire passe dans la batterie. Quand le seuil de coupure est atteint, le courant passe dans l’interrupteur. Ce genre de régulateur présente un avantage car il est proportionnel et ne crée pas une chute de tension dans le circuit. La puissance consommée par le régulateur au repos est nulle et une panne n’affecte pas la charge de la batterie. Il présente un inconvénient dans la mesure où il doit être capable de dissiper la puissance maximale du panneau photovoltaïque. Le régulateur est appareil électronique avec trois (3) dipôles de deux bornes (une borne positive, une borne négative). L’un des dipôles est connecté en parallèle avec le panneau et fonctionne avec une tension d’entrée de 12V. Un autre est relié à la batterie qui les charge. Enfin le troisième dipôle sert à l’alimentation des appareils fonctionnant en courant continu.