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Systèmes solaires thermiques électriques

Les systèmes de production d’électricité solaire thermique utilisent le plus souvent des concentrateurs solaires pour produire des températures élevées qui peuvent alimenter les moteurs thermiques avec une efficacité de conversion acceptable. Deux principaux types de générateurs adaptés à la production à grande échelle ont été démontrés jusqu’à présent, tous deux nécessitant un rayonnement direct ou par faisceau. Les climats nuageux ou couverts, où la majeure partie du rayonnement est diffuse, ne sont donc pas adaptés à cette technologie.
De grandes collections (ou parcs solaires) de réflecteurs paraboliques à auge, figure 1.5, concentrent le rayonnement solaire sur un récepteur en ligne contenant un fluide caloporteur canalisé. Le fluide peut être une huile thermique, capable de résister à des températures élevées, ou bien de l’eau sous pression. Cette vapeur est recueillie et passe à travers un échangeur de chaleur/chaudière où la vapeur est soulevée pour alimenter les turbines. Les températures de fonctionnement varient entre 350 et 400°C et des installations d’une puissance allant jusqu’à 80 MW ont été construites. Pour augmenter la température de fonctionnement de la turbine à vapeur, et donc son efficacité, la vapeur du système solaire peut être chauffée davantage à l’aide de combustibles conventionnels[49][50].
Figure 1.5 Centrale à auge parabolique de 50 MW avec stockage thermique à Andasol. Espagne [49]
Dans les tours solaires, un récepteur central est monté au sommet d’une tour qui est entourée d’un champ de miroirs concentrateurs (héliostats) qui suivent le soleil. Les héliostats réfléchissent et concentrent la lumière sur un récepteur où l’énergie est absorbée par le fluide caloporteur, qui peut être de l’eau, un sel fondu ou toute autre liquide caloporteur haute température appropriée. Des températures allant jusqu’à 1000°C peuvent être atteintes. Des systèmes d’une puissance allant jusqu’à 200 MW ont été envisagés, mais jusqu’à présent, les plus grands systèmes construits sont considérablement moins nombreux. La figure 1.6 montre l’un des plus grands systèmes actuellement en service, la tour solaire PS10 et PS20 de 100 MW à Sanlúcar la Mayor, en Espagne. On s’attend à ce que les pylônes solaires soient plus économiques que les parcs solaires pour les centrales de plus grande taille, de plus de 300 MW[20][51].
Figure 1.6. Vue aérienne de la tour solaire PS10 de 100MW à Saniticar la Mayor. Espagne [50]

La conversion des formes d’énergie

La figure 1.7 montre comment divers types d’énergie peuvent être convertis en électricité. À l’heure actuelle, le chemin qui mène à la production de la majeure partie de l’électricité dans le monde est illustré par les lignes en gras qui mènent de la combustion chimique à la combustion thermique, de la thermique à la mécanique et finalement à la conversion électrique. Le goulot d’étranglement de cette voie est le rendement thermodynamique limité déterminé par le cycle de Carnot. Les centrales thermiques plus anciennes ont des rendements compris entre 35 et 40 %, bien qu’au cours des deux dernières décennies, la conversion ait été considérablement améliorée, passant à plus de 50 % grâce au développement des turbines à gaz à cycle combiné (TGCC). Il s’ensuit que lorsque le charbon, le pétrole ou le gaz est utilisé, seulement 35 à 50% de l’énergie primaire est convertie avec succès, le reste étant rejeté dans l’environnement sous forme de chaleur résiduelle [20][52].

L’impact environnemental de la consommation d’énergie

Les combustibles fossiles ont une chose en commun ils produisent tous du dioxyde de carbone lorsqu’ils sont brûlés. Ils constituent un élément clé du cycle du carbone à long terme de la Terre, car ils ont été établis pendant des périodes géologiques où le climat était tropical dans la majeure partie de la planète et les concentrations atmosphériques de CO2 étaient très élevées. Ce stockage du carbone par la croissance de la matière végétale et sa conversion subséquente en charbon, en pétrole, en tourbe et en gaz a réduit considérablement les niveaux de CO2 dans l’atmosphère et a joué un rôle important dans le refroidissement de la planète à des températures qui pouvaient soutenir des formes de vie avancées. La préoccupation actuelle est qu’en débloquant ce stock de carbone, le changement climatique est poussé dans l’autre sens, le réchauffement de la planète étant la conséquence directe d’un effet de serre excessif.
Le CO2 n’est pas le seul polluant créé par la production d’énergie fossile : la combustion dans l’air contenant 78 % d’azote en volume produit inévitablement des oxydes d’azote, du NO, du NO2 et du N2O, collectivement appelés NOx ; et toute teneur en soufre du combustible entraîne des émissions de SOx. Ensemble, les NOx et les SOx contribuent aux pluies acides et, par conséquent, il est maintenant courant de réduire les émissions de SOx des centrales électriques alimentées aux combustibles fossiles par la désulfuration des gaz de combustion. L’inconvénient est la réduction du rendement thermodynamique et l’augmentation des émissions de CO2 qui en résulte[20][53].

Utilisation efficace de l’énergie

La figure 1.8 souligne que les mesures d’efficacité devraient apporter la plus grande contribution à l’atténuation du changement climatique. Il est donc surprenant que la question importante de l’utilisation rationnelle et efficace de l’énergie soit rarement abordée avec vigueur dans les plans nationaux ou supranationaux, en dépit du fait que de nombreuses études ont montré que cette voie constitue le moyen le plus économique d’atteindre les objectifs de durabilité[20].

Solutions possibles et durabilité

Les réserves de combustibles fossiles et de minéraux de la planète sont bien sûr limitées et l’exploitation du charbon, du pétrole, du gaz et de l’uranium n’est donc pas durable à long terme. Heureusement, l’énergie renouvelable (ER), dérivée des flux énergétiques naturels, est inépuisable et n’a pas d’effet néfaste à long terme sur l’environnement. En tant que tel, il deviendra à terme la base du système d’approvisionnement en énergie, et probablement le seul moyen de produire de l’électricité.
Il existe un certain nombre de sources potentiellement neutres en carbone : il s’agit notamment de la fission nucléaire et de toutes les sources qui dérivent directement ou indirectement du soleil, à savoir la biomasse, l’énergie éolienne, solaire (thermique et photovoltaïque), hydroélectrique et marine. La géothermie et l’énergie marémotrice sont également neutres en carbone et souvent considérées comme renouvelables au motif que les sources sont si vastes qu’elles sont pratiquement inépuisables [20][54].

Conclusion

À l’heure actuelle, de nombreux réseaux électriques utilisent des sources d’énergie renouvelables, le plus souvent l’hydroélectricité, éolienne et l’énergie solaire. Pour l’instant, il suffit de noter que, comme mentionné précédemment, la diversité géographique de ces ressources facilite l’intégration. La diversité géographique s’applique également aux autres ressources renouvelables et est importante pour leur intégration dans les systèmes conventionnelle d’électrification. La relation entre les différentes sources renouvelables, dans l’espace et dans le temps, est également directement lié à la question de l’intégration. La vitesse des courants de marée n’est pas corrélée à la vitesse du vent, et l’énergie des vagues, bien qu’elle soit une forme intégrée d’énergie éolienne, n’est pas fortement corrélée à la vitesse du vent sur dix minutes ou même sur une heure. L’énergie solaire à son propre modèle unique de variation et la biomasse est flexible. La façon dont les sources de production renouvelables peuvent être combinées pour répondre à la demande de charge est une question cruciale qui sera abordée dans les chapitres suivants.

Les Systèmes Photovoltaïques

Introduction

Récemment, au cours des dernières décennies, la demande en ressources naturelles a augmenté rapidement en raison de l’épuisement rapide du charbon et du pétrole, sans parler de la pression qu’il exerce sur l’approvisionnement en électricité, ce qui entraînerait une menace inévitable de crise énergétique mondiale. Pour cela, il faut exploiter et développer de nouvelles formes de sources d’énergie très fiables. Les sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire, l’énergie éolienne, la biomasse, le biogaz, l’énergie océanique, les marées, et la chaleur géothermique sont toujours considérées comme les formes alternatives d’énergie traditionnelle qui permettraient d’assurer l’approvisionnement énergétique dans le futur[55][56].
Parmi les nombreuses sources d’énergie renouvelables disponibles, l’énergie solaire photovoltaïque est considérée comme la plus prometteuse, car elle présente l’avantage non seulement d’être propre, abondante, flexible, sans émission, fiable, silencieuse, inépuisable, à faible coût de maintenance, facilement convertible en énergie électrique, mais aussi d’être économique. Comme l’énergie traditionnelle a ses propres inconvénients, il en va de même pour l’énergie photovoltaïque qui ne peut pas être utilisée en permanence en raison des variations climatiques, sans parler des coûts de fabrication élevés et de la faible efficacité énergétique [57]. Les différentes variations des conditions météorologiques (irradiation solaire et température) sont fixées comme objectifs clés de la performance de l’alimentation en énergie PV. Il est convenu que la variation des conditions météorologiques entraîne une variation de la PPM du module PV, il est donc fortement recommandé d’extraire la PPM de la source PV dans la mesure du possible. L’algorithme MPPT est le système le plus désiré, requis et nécessaire, pour le fait qu’il extrait le MPP pour améliorer l’efficacité des modules PV. sans parler des différentes MPPT méthodes développées; ces dernières varient en précision, complexité, vitesse et oscillation au MPP. Les algorithmes MPPT « Incremental Conductance » et « Perturb and Observe » (P&O) (INC) sont les plus utilisés en raison de leur simplicité dans les structures de mise en œuvre et de contrôle [58][59]

Définitions du photovoltaïque

Le photovoltaïque est la conversion directe de la lumière en électricité. Il utilise des matériaux qui absorbent les photons des lumières et libèrent des charges d’électrons. Il peut être utilisé pour la fabrication de générateurs électriques. L’élément de base de ces générateurs est appelé cellule PV [60].

Irradiation et rayonnement solaire

L’irradiation est une quantité instantanée décrivant le flux de rayonnement solaire incident sur une surface (kW/m2). La densité du rayonnement solaire dans l’atmosphère extérieure est de 1,373 kW/m2 [61], mais seule une densité maximale de 1 kW/m2 est la lumière solaire incidente finale à la surface de la Terre. L’irradiation mesure l’énergie de rayonnement solaire reçue sur une surface donnée dans un temps donné. C’est l’intégrale du temps de l’irradiation. Par exemple, l’irradiation quotidienne peut être exprimée en kWh/m2 par jour. L’isolation est un autre nom pour l’irradiation. Pour une irradiation standard de 1000W/m2, l’ensoleillement est généralement donné en heures [39][41]. La figure 2.1 donne la relation entre l’irradiation et l’insolation.
Le rayonnement solaire est constitué de photons portant l’énergie ℎ qui est donnée par l’équation suivante : ℎ = ℎ (2.1)
Où est la longueur d’onde, h la constante de Plank et la vitesse de la lumière.
Le rayonnement global comprend trois composantes :
– le rayonnement solaire direct : Le rayonnement solaire reçu directement du soleil.
– rayonnement diffus diffusé par l’atmosphère et les nuages.
– le rayonnement réfléchi par le sol.
Les mesures du rayonnement solaire sont effectuées à l’aide d’un pyranomètre pour le rayonnement global ou d’un pyrhéliomètre pour le rayonnement direct. L’intégrale de l’irradiation solaire sur une période de temps est l’irradiation solaire[61][62].

Technologies des cellules photovoltaïques

L’élément de base d’un système photovoltaïque (PV) est la cellule solaire qui convertit directement l’énergie solaire en courant continu. Une cellule solaire typique se compose d’une jonction PN formée dans un matériau semi-conducteur similaire à une diode. Le matériau semi-conducteur le plus largement utilisé dans les cellules solaires est le silicium. Chaque matériau donne une efficacité différente et a un coût différent[61]. Il existe plusieurs types de cellules solaires:
– silicium monocristallin (c-Si)
C’est le matériel cellulaire largement disponible. Fig 2.2
Son efficacité est limitée par plusieurs facteurs. Le rendement le plus élevé de la cellule solaire au silicium est d’environ 23%, par certains autres matériaux semi-conducteurs jusqu’à 30%, ce qui dépend de la longueur d’onde et le matériau semi-conducteur.
– cellules poly-cristallines
On l’appelle aussi poly-silicium. Dans ce cas, le silicium fondu est coulé en lingots. Puis il forme de multiples cristaux. Ces cellules ont un rendement de conversion légèrement inférieur à celui des cellules monocristallines. Les modules en silicium monocristallin et poly-cristallin sont très fiables pour les applications de puissance en extérieur.
– Couche mince
La cellule solaire à couche mince (TFSC), aussi appelée cellule photovoltaïque à couche mince (TFPV), est une cellule solaire constituée de matériaux à couche mince de quelques mm ou moins d’épaisseur. Les cellules solaires à couche mince habituellement utilisées sont:
1. Silicium amorphe (a-Si) et autre silicium à couche mince (TF-Si). Le rendement des cellules solaires amorphes se situe généralement entre 10 et 13 %. Leur durée de vie est plus courte que celle des cellules cristallines.
2. Le tellurure de cadmium (CTe) est un composé cristallin formé à partir du cadmium et du tellure et son efficacité est d’environ 15 %.
3. Le séléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIS ou CIGS) est composé de cuivre, d’indium, de gallium et de sélénium. Son rendement est d’environ 16,71%.[61]

Cellules photovoltaïques et modules photovoltaïques

Cellules et panneaux

Pour obtenir une puissance élevée, de nombreuses cellules sont connectées en série et en parallèle. Le module photovoltaïque est composé de plusieurs cellules photovoltaïques individuelles connectées et encapsulées en usine. Un panneau est constitué d’un ou plusieurs modules regroupés sur une structure porteuse commune.
L’orientation et l’inclinaison de ces panneaux sont des paramètres de conception importants, de même que l’ombrage des obstacles environnants. En ajoutant des cellules ou des modules identiques en série, le courant est le même mais la tension augmente proportionnellement au nombre de cellules (modules) en série. En ajoutant des modules identiques en parallèle, la tension est égale à la tension de chaque module et l’intensité augmente avec le nombre de modules en parallèle [63][64].

Courant par rapport à la tension Caractéristique

Toutes les autres grandeurs étant constantes, le courant IPV fourni par une cellule photovoltaïque dépend de la tension VPV à ses bornes. Le courant diminue à mesure que la tension augmente et la concavité de la courbe est dirigée vers le bas.
La tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit sont deux paramètres largement utilisés pour décrire les performances électriques de la cellule. Le courant de court-circuit Isc est mesuré en court-circuitant les bornes de sortie. C’est le courant à tension nulle (Vpv=0). La tension en circuit ouvert est la tension à courant nul (Ipv=0).
Les valeurs de Isc et Voc obtenues dans des conditions standard sont appelées Isc-ref et Voc-ref. Ces valeurs sont données dans la fiche technique de la cellule ou du module [65][66].

Point de puissance maximale

Cette puissance est positive pour la partie de la courbe IPV-VPV comprise entre le point d’ouverture et le point de court-circuit, donc pour les valeurs de VPV satisfaisant la condition 0 << (2.3)
En dehors de l’intervalle défini par l’équation 2.3, la puissance Ppv est négative : l’appareil PV reçoit la puissance du circuit électrique externe.
La puissance PPV est nulle lorsque VPV=0 (point de court-circuit) par Eq 2.2. De même, la puissance Ppv est nulle lorsque Vpv=Voc (point de circuit ouvert) depuis, alors Ipv=0 et donc, par Eq 2.2, Ppv est aussi nulle. Ensuite, dans l’intervalle défini par l’équation 2.3, PPV atteint une valeur maximale. Ceci arrive à un point appelé Maximum Power Point (MPP). Les valeurs correspondantes de Vpv et Ipv sont appelées respectivement VMPP et IMPP. A ce point P(VMPP, IMPP), la puissance Ppv fournie par le générateur photovoltaïque est maximale et dénommée PMPP.
L’élément de gauche de l’équation 2.7 est la résistance interne incrémentale du générateur PV (le signe moins est dû au choix pour cet appareil des directions de référence du générateur). Le bon élément est la résistance apparente de la charge. Ainsi, on peut considérer Eq 2.7 comme l’équation définissant l’adaptation de résistance de la charge à la résistance interne du générateur PV [67].

Efficacité

Le rendement de conversion d’un module PV est la proportion d’énergie solaire reçue que le module convertit en énergie électrique. Il est défini comme le rapport entre la puissance du module solaire et la puissance de la lumière incidente.

Table des matières

Introduction Aux Sources Energétiques
1.1 Introduction
1.2 Les Sources conventionnelles: charbon, gaz et nucléaire
1.3 Les Sources renouvelable
1.3.1 Énergie hydroélectrique
1.3.2 Énergie éolienne
1.3.3 La biomasse
1.3.4 Électricité solaire PV et thermique
1.3.4.1 La technologie de la conversion
1.3.4.2 Systèmes photovoltaïques
1.3.4.3 Systèmes solaires thermiques électriques
1.4 La conversion des formes d’énergie
1.5 L’impact environnemental de la consommation d’énergie
1.6 Utilisation efficace de l’énergie
1.7 Solutions possibles et durabilité
1.8 Conclusion
Les Systèmes Photovoltaïques
2.1 Introduction
2.2 Définitions du photovoltaïque
2.2.1 Irradiation et rayonnement solaire
2.2.2 Technologies des cellules photovoltaïques
2.2.3 Cellules photovoltaïques et modules photovoltaïques
2. 3 Modélisation du module PV
2.4 Courbes caractéristiques des cellules solaires
2.5 Introduction aux systèmes PV
2.5.1 Systèmes PV autonomes à couplage direct
2.5.2 Système PV autonome avec stockage sur batterie alimentant des charges CC et
2.6 Analyse d’un convertisseur élévateur de tension
2.7 Algorithmes de poursuite des points de puissance maximale
2.7.1 Technique de perturbation et d’observation
2.7.2 Technique de conductance incrémentale
2.7.3 Efficacité d’un algorithme MPPT
2.8 Résultats de simulation
2.9 Conclusion
Les systèmes hybrides autonomes
3.1 Introduction
3.2 Générateurs diesel dans les pays en développement
3.3 Structure de base et applications des générateurs diesel
3.3.1 Utilisation de génératrices diesel comme micro-réseaux électriques dans les
3.3.2 Utilisation de groupes électrogènes diesel pour les projets agricoles
3.3.3 Génératrices diesel sur barge (DB)
3.4 Fonctionnement d’un générateur électrique
3.4.1 Moteur diesel
3.4.2 Alternateur
3.4.3 Régulateur de tension
3.5 Coûts d’exploitation
3.6 Le profil de charge du site sélectionné
3.7 Résultats de la simulation d’un système GD
3.8 Système à moteur diesel seul (mono ou multi-diesel)
3.8.1 Avantages
3.8.2 Inconvénients
3.9 Système PV/DG
3.9.1 Données météorologiques de la zone étudiée
3.9.2 Gestion de l’énergie
3.10 Composants du système
3.10.1 Le générateur diesel
3.10.2 Modules PV
3.10.3 Onduleur
3.10.4 Analyse économique
3.11 Résultats de Simulation du système hybride PV/GD
3.12 Système énergétique hybride
3.12.1 Les avantages
3.12.2 Les inconvénients
3.13 Périphériques de stockage
3.13.1 Les technologies classiques comprennent :
3.13.2 Les technologies moins conventionnelles comprennent :
3.14 Conclusions
Le système hybride Photovoltaïque/Groupe Diesel /Stockage hydraulique
4.1 Introduction
4.2 Configuration de l’accumulation hydroélectrique de la pompe
4.3. Le système d’accumulation hydraulique par pompage
4.3.1. Unité pompe/moteur
4.3.2. Groupe turbo-alternateur
4.3.3. Réservoir supérieur (RS)
4.4 Méthodologie
4.5 Description du modèle
4.5.1 La source solaire PV
4.5.2 Générateur diesel
4.5.3 La gestion de l’énergie
4.6 Le site sélectionné
4.7 Résultats de la simulation
4.7.1 Résultats du PV et discussion
4.7.2 Résultats du system PHS et discussion
4.7.3 Résultats de la DG et discussion
4.7.4 Résultats du stratégie EMC et discussion
4.7.5 Les résultats de la charge et la discussion
4.7.6 analyses des coûts
4.8 Conclusion
Conclusion Générale
Perspectives
Revues Internationales
Communications Internationales
Bibliographie

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