Performances de la poursuite solaire à deux axes dans un système photovoltaïque

Application dans le Sud-ouest algérien 26/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2011-5:19574
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Performances de la poursuite solaire à deux axes dans un système photovoltaïque

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	    <date dateType="Created">Sat 26 Aug 2017</date>
	    <date dateType="Updated">Sat 26 Aug 2017</date>
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58 ◗ REE N°5/2011 les grands projets solaires du pourtour méditerranéen 1 Mhamed Rebhi, 2 Ali Benatiallah, Abderrahmane Belghachi, 3 Mabrouk Sellam, 4 Boufeldja Kadri 1 Laboratoire de physique et des dispositifs à semi-conducteurs, université de Becha 2 Laboratoire des Energies Environnement et Système d’Informations, université d’Adrar 3 Laboratoire des Energies en Zones Arides, université de Bechar 4 Laboratoire des Télécommunications, université de Tlemcen Auteur correspondant : rebhi.med@gmail.com L’énergie photovoltaïque est une source alter- native non polluante, adaptable en fonction du profil de consommation, et décentralisable quant au site de production. Mais cette technologie res- te jusqu’à présent insuffisante pour satisfaire les besoins énergétiques de la vie socio-économique moderne à cause des contraintes suivantes : • Coût élevé de la fabrication des panneaux so- laires, • Variation de l’ensoleillement d’un lieu à l’autre et d’une saison à l’autre, • Perte du rayonnement solaire à travers l’atmos- phère, • Influence des paramètres météorologiques (vent, nuages, pluie, poussières, etc.), • Insuffisance de rendement de conversion éner- gétique des panneaux. Bien qu’il soit très largement utilisé, le pan- neau fixe correspond à une configuration géo- métrique imparfaite, car l’angle de calage du panneau solaire ne correspond qu’une fois par jour à la collection maximale de photons sur la surface du panneau. Ceci a pour conséquence que le panneau fixe laisse échapper une grande quantité d’énergie lumineuse incidente. En contrôlant les grandeurs physiques agissant sur la caractéristique électrique courant-tension I (V) d’un panneau solaire, il est possible de par- venir à des conditions d’utilisation plus perfor- mantes. L’incidence des angles d’orientation et d’inclinaison du module peut être exploitée afin Performances de la poursuite solaire à deux axes dans un système photovoltaïque Application dans le Sud-ouest algérien Increasing the incident radiation on a photovoltaic module (PV) improves most characteristics of its performances such as the produced power and the efficiency. In this paper, our contribution aims to realize and experiment in the Southwest Algerian a prototype of a sun trac- king system which permits a permanent orientation of the PV module in the direction of the sun during the day. Hence it permits to augment the output energy and the efficiency The results on the experimental site correspond to an increase of 27.5% in terms of efficiency and energy produ- ced compared with a fix module oriented by tilt angle of 30° corresponding to latitude of the site. Such a result is very encouraging and should be taken into account in the design of major solar projects which are under consi- deration in North Africa. abstract REE N°5/2011 ◗ 59 Performances de la poursuite solaire à deux axes dans un système photovoltaïque - Application dans le Sud-ouest algérien. de capter le maximum des photons incidents du soleil sur la surface éclairée [2]. Sachant que le rayonnement solaire est variable tout au long de la journée en fonction de la position du soleil et que le panneau solaire délivre sa puissance maximale lorsque le faisceau lumineux incident est per- pendiculaire à sa surface, l’inclinaison et l’orientation du panneau solaire peuvent être ajustées d’une manière automatique pour arriver à une position en permanen- ce optimale au moyen d’un système appelé poursuite solaire (ou tracking en anglais) [3]. L’étude résumée dans cet article avait pour objet de comparer les performances d’un panneau fixe à celles d’une poursuite solaire à deux axes grâce à un proto- type conçu par le Laboratoire de physique et des dis- positifs à semi-conducteurs de l’université de Bechar (Algérie). Modélisation du panneau photovoltaïque La modélisation d’un panneau photovoltaïque impli- que de recenser les paramètres physiques influençant sur la caractéristique courant-tension tels que : • Facteurs technologiques : type de semi-conducteur, contact ohmique, dopage, etc. • Facteurs électriques : charge d’électrons, champ élec- trique, • Facteurs météorologiques : éclairement, température ambiante, • Facteurs géométriques  : inclinaison, orientation azi- mutale, surface du panneau. L’équation caractéristique du panneau peut être mo- délisée par [4] : (1) Iph  : photo-courant, I0  : courant de saturation, q : charge d’électron, V : tension du panneau, n : facteur de qua- lité, KB  : constante de Boltzmann, T : température d’uti- lisation, RS  : résistance série, RSh : résistance parallèle, I : courant débité par le panneau. Dans notre projet, le panneau PWX500 est un mo- dule bi-glace, adapté aux conditions climatiques et envi- ronnementales, constitué de 36 cellules polycristallines de silicium disposées en série sur une grille dont la surface totale est de 3 673 cm². Le module PWX500 utilise la technologie des cellules polycristallines de la société Photowatt dont le circuit électrique équivalent est représenté par la figure 1. Les données électriques fournies par le fabricant et uti- lisées dans le projet sont rassemblées dans le tableau 1. L’influence de l’éclairement à une température am- biante constante (25 °C) sur la caractéristique courant- tension est forte sur le courant de sortie. Par contre son influence sur la tension est faible comme illustré dans la figure 2. Adaptation de l’inclinaison du panneau Un panneau photovoltaïque fixe est orienté vers le Sud géographique selon un angle azimutal (horizontal) égal à zéro et un angle d’inclinaison généralement identique à la latitude du lieu. En position fixe, l’irradiation n’est opti- male qu’une seule fois par jour, ce qui entraîne un déficit instantané réduisant la puissance fournie par le panneau. Pour adapter la position optimale du panneau à cha- que saison, l’angle d’inclinaison peut être ajusté chaque mois pour permettre au panneau de capter davantage de photons incidents. En littérature, plusieurs modèles mathématiques ont été proposés pour calculer l’angle d’inclinaison optimal. Dans notre étude, l’ajustement de Figure 1 : Schéma équivalent du panneau photovoltaïque. Caractéristiques électriques et thermiques Unité Valeurs selon le fabricant Puissance nominale W 50 Tension nominale V 17.2 Courant nominal A 2.9 Courant de court-circuit A 3.1 Tension en circuit ouvert V 21.6 Rendement % 12.19 Poids kg 9.2 Coefficient courant / température A/°C 1.3x10-3 Coefficient tension / température V/°C -72.5x10-3 Coefficient rendement / température % /°C 0.43 Résistance série Ω 0.55 Nombre de cellules 36 Surface d’une cellule cm² 102.02 Conditions standard 1000 W/m², 25°C, 1m/s Tableau 1 : Caractéristiques du module photovoltaïque sous les conditions standard. 60 ◗ REE N°5/2011 les grands projets solaires du pourtour méditerranéen Figure 2 : Caractéristiques courant et puissance en fonction de la tension. Figure 3 : Variation de l’inclinaison optimale durant l’année sur le site de Bechar. Figure 4 : Variation de l’éclairement en fonction de l’inclinaison optimale. REE N°5/2011 ◗ 61 Performances de la poursuite solaire à deux axes dans un système photovoltaïque - Application dans le Sud-ouest algérien. l’inclinaison optimale en fonction de la trajectoire du soleil et de la latitude du lieu géographique est exprimé par la relation (2) [5] : (2) La courbe parabolique de la figure 3 représente l’in- clinaison en fonction du mois de l’année et la compare aux travaux publiés par Harmim et El-kassaby [6]. Elle confirme que le mois de juin est le plus irradié, lorsqu’on fait une simulation de la variation de l’éclairement de la surface du panneau en fonction de son inclinaison (figure 4). Principes d’un système de poursuite solaire à deux axes Un système de poursuite du soleil à deux axes (ver- tical et horizontal) permet d’orienter le module solaire en direction du soleil pendant toute la durée du jour, ce qui permet d’obtenir, par rapport à un module fixe, une augmentation substantielle de l’énergie produite en allongeant la période pendant laquelle le système est pleinement opérationnel. Le système de pilotage est contrôlé par une com- mande électronique, capable d’orienter horizontale- ment (Est-Ouest) et d’incliner verticalement (Nord-Sud) un panneau solaire avec des angles optimaux, face au soleil à tout instant, pour absorber un maximum d’éner- gie lumineuse. Les stratégies de contrôle de poursuite solaire se di- visent en deux catégories : 1- Les stratégies de contrôle préprogrammées Dans ces systèmes, il n’y a pas de contre-réaction. La sortie du processus est indépendante de la consigne d’entrée sans correction d’erreur. Le contrôleur est pré- programmé en fonction des paramètres géographiques du site et des équations du temps du mouvement du soleil. (figure 5) [8]. 2- Les stratégies de contrôle en boucle fermée Elles sont basées sur l’asservissement des capteurs. La grandeur physique mesurée (tension ou puissance de sortie) est fonction de l’angle d’incidence (figure 6). La puissance maximale est obtenue lorsque le flux du rayonnement est perpendiculaire au plan des capteurs. L’asservissement s’effectue indépendamment des pa- Figure 5 : Poursuite solaire à base d’un microcontrôleur préprogrammé. Figure 6 : Boucle fermée pour une poursuite à base des capteurs. 62 ◗ REE N°5/2011 les grands projets solaires du pourtour méditerranéen ramètres géographiques du site d’implantation (latitude et longitude). Notre projet relève de ce type de straté- gie [7]. La conception du système utilisé dans le site de Be- char est illustrée ci-dessus par la figure 7. Orientation et inclinaison du système selon la direction du soleil a - Orientation azimutale Dans le référentiel terrestre, le soleil se lève à l’Est et se couche à l’Ouest, tandis que la terre tourne autour du soleil. A Bechar, sur un jour solaire de 24 heures, le soleil est présent à 8 h 10 en hiver et se couche à 19 h 50 en été. La durée solaire moyenne est de 10 heures. La terre tourne sur elle-même en presque 24 heu- res. Le soleil a donc un mouvement curviligne d’Est en Ouest de 180° sur 12 h. On doit en conséquence faire tourner le panneau solaire selon un angle azimutal [9] : (3) α = 180° x 10/12 = 150° La vitesse de rotation du panneau est : (4) ω = 150°/10 = 15° degré / heure équivalent à f = 15/360 = 0.0416 tour/h On voit que le panneau doit tourner à une vitesse très faible, de 15° par heure d’Est en Ouest, sur une période de 10 heures chaque jour. b - Inclinaison La variation de l’inclinaison β du panneau au moyen du système de poursuite permet de suivre à tout moment le mouvement du soleil. Le mouvement du Figure 7 : Système de poursuite solaire utilisé à Béchar. Figure 8 : Position du dispositif des capteurs LDR. REE N°5/2011 ◗ 63 Performances de la poursuite solaire à deux axes dans un système photovoltaïque - Application dans le Sud-ouest algérien. panneau est effectué sur la base de la recherche d’un éclairement identique des deux surfaces de deux pho- torésistances (figure 8). Réalisation du système Le système de poursuite du soleil a été réalisé et expérimenté au Laboratoire de physique des semi- conducteurs de l’université de Béchar. Le prototype a été construit à partir des outils dont dispose le labo- ratoire de recherche et était constitué des éléments suivants : • module solaire, • système mécanique d’orientation du module avec deux moteurs d’entraînement, • commande électronique et dispositifs de mesure. Le système mécanique deux axes se compose du support métallique du module PV entraîné par deux moteurs électriques de faible puissance, commandés par un circuit électronique analogique. La radiation est détectée par un bloc de quatre capteurs (4 photorésis- tances) orientés chacun dans une direction géographi- que et est mesurée par une sonde pyrométrique. Deux roulements minimisent le coefficient de frottement en rotation. Des interrupteurs de fin de course permettent de déterminer les positions extrêmes du système pré- senté sur la figure 9. La commande de ce mécanisme permet à chaque instant d’orienter le système en rotation α autour de l’axe vertical et en inclinaison β autour de l’axe horizon- tal. Les constituants ont été choisis afin d’obtenir : Figure 9 : Vues de face et arrière du système de poursuite solaire. Figure 10 : Schéma électronique de la commande de contrôle. 64 ◗ REE N°5/2011 les grands projets solaires du pourtour méditerranéen • une très faible puissance consommée, • une haute sensibilité des capteurs et une grande préci- sion angulaire pour maximiser la quantité de radiation captée, • un couple résistant proportionnel à la vitesse. Commande électronique analogique L’élément de base du circuit électronique est le com- parateur LM324 qui détecte à chaque instant la différen- ce de tension entre son entrée inversée et son entrée non inversée, produite par la différence d’illumination sur la surface des capteurs. Le LM324 délivre un signal à l’amplificateur de puissance à transistors qui commande le moteur jusqu’à ce que les capteurs soient également illuminés, c’est-à-dire que le module PV soit positionné avec précision en direction du soleil [13]. Résultats Le but de l’étude était de comparer les résultats de la mesure de la radiation incidente avec les quantités d’énergie produite en mode de poursuite d’une part et en mode fixe d’autre part, dans les conditions de leur fonctionnement sur un site représentatif des condi- tions prévalant dans le Sud-ouest algérien. L’évaluation des progrès qu’il est ainsi possible de réaliser est de première importance au moment où de grands projets d’équipements solaires voient le jour dans le pourtour méditerranéen, en Afrique du Nord notamment. A titre de référence, dans le domaine théorique et expérimental, on peut citer les travaux sur la conversion photovoltaïque solaire de MM. Iqbad, Duffie et Beckmann [10] ; dans celui de l’accroissement du gain en énergie, l’expérimentation d’un système de pompage réalisé en Figure 11 : Commande réalisée en laboratoire (LPDS). Mode d’orientation Paramètres (valeur optimale) 8 h30 12h15 17 h 20 Mode fixe Irradiation (W/m²) Tension (V) Courant (A) Puissance (W) Rendement n1 (%) 236,5 14,5 0,56 8,12 9,35 9,56 14,7 2,38 34,98 9,97 293,5 14,4 0,71 10,22 9,48 Mode deux axes Irradiation (W/m²) Tension (V) Courant (A) Puissance (W) Rendement n2 (%) 790,02 15,5 2,23 34,56 11,92 958 14,3 2,7 38,61 10,98 848,5 14,9 2,46 36,65 11,76 Gain = (n2 – n1) / n1 (en %) 27,48 10,1 24,05 Tableau 2 : Résultats et performances des deux modes d’orientation (obtenus le 03/04/2008). REE N°5/2011 ◗ 65 Performances de la poursuite solaire à deux axes dans un système photovoltaïque - Application dans le Sud-ouest algérien. Figure 12 : Caractéristique I(V) à 8 h 30. Figure 13 : Caractéristique P(V) à 8 h 30. Figure 14 : Caractéristique I(V) à 12 h 30. Figure 15 : Caractéristique P (V) à 12 h 30. Figure 16 : Caractéristique I(V) à 17 h 30. Figure 17 : Caractéristique P(V) à 17 h 30. 66 ◗ REE N°5/2011 les grands projets solaires du pourtour méditerranéen Algérie par B. Barkat avec un gain de 25 % [11] ; une réalisation analogue en Egypte par A. A. Zekry avec un résultat de 24 % [12] ; au Japon une poursuite du soleil avec une efficacité moyenne sur un an accrue de 27 % par rapport à celle d’un système fixe, en Espagne un gain de 26 % atteint grâce à système automatique. Le tableau 2 présente la comparaison des valeurs des paramètres de fonctionnement du module PV dans les deux modes d’orientation. Le rendement de conversion n est donné par la relation où S est la surface du module égale à 0,367 m² et E la radiation incidente. Analyse des résultats obtenus à 8 h 30 En mode fixe, la puissance crête produite (8,12 W) est très inférieure à la puissance nominale du module PV spécifiée par le fabricant (50 W), ceci sous une irra- diation de 235 W/m² et une température ambiante de 30 °C. Cet écart est dû à la faiblesse du rayonnement solaire capté par le module : au début du jour, sa surface est loin d’être perpendiculaire à la direction du soleil. Grâce au système de poursuite du soleil, le module capte à 8 h 30 une radiation de 790 W/m² supérieure de 553 W/m² à celle captée en mode fixe. La puissance crête produite croît ainsi de 8,12 à 34,36 W avec un rendement de 11,92 % et un gain de conversion de 27,48 %. Analyse des résultats obtenus à 12 h 30 En mode fixe, le module PV produit une puissance crête de 34,98 W sous une irradiation de 956 W/m². En mode poursuite, la puissance crête produite est de 38,61 W sous une irradiation de 958 W/m². Ces deux résultats sont peu différents, parce qu’à 12 h 30 le rayonnement du soleil frappe verticalement le module PV dans les deux modes. Analyse des résultats obtenus à 17 h 20 La figure 16 met en évidence la différence des perfor- mances du module PV à la fin du jour dans les deux mo- des d’orientation : puissance crête produite de 36,65 W en mode poursuite et de 10,22 W en mode fixe. Cet écart résulte de la diminution de l’irradiation sur la surface du module lorsqu’il est fixe (293,5 W/m² en mode fixe au lieu de 848,5 W/m² en mode poursuite). La comparaison avec la figure 5 montre que cette dimi- nution est du même ordre de grandeur au début et à la fin du jour. Sur la figure 17, on constate l’écart important dans les deux modes entre les valeurs du courant et de la tension à la crête de fonctionnement, écart constaté aussi en début du jour sur la figure 4. Synthèse des résultats La figure 18 présente la superposition des caracté- ristiques P(V) du module en mode poursuite aux trois instants de la journée et montre que les trois courbes sont quasi confondues. Par contre, la figure 19 montre qu’en mode fixe les courbes P(V) du matin et du soir différent fortement de celle de 12 h 30. Le rendement énergétique moyenné sur la durée du jour est beaucoup plus élevé en mode poursuite qu’en mode fixe. Le gain de rendement correspondant est de 27,48 %. Figure 18 : Caractéristiques P(V) en mode poursuite. Figure 19 : Caractéristiques P(V) en mode fixe. REE N°5/2011 ◗ 67 Performances de la poursuite solaire à deux axes dans un système photovoltaïque - Application dans le Sud-ouest algérien. Conclusion L’expérimentationmenéeàl’universitédeBecharapermis d’apprécier le bénéfice apporté par un système de poursuite du soleil orientant avec précision le module photovoltaïque à tout instant en direction du soleil, dans les conditions climati- ques et géographiques du site d’expérimentation. Par rapport à un module photovoltaïque fixe orienté vers le Sud géographique et incliné de la valeur de la latitude du site (30°) : Le bénéfice est faible en milieu de journée car à cet instant le module est éclairé verticalement par le soleil dans les deux modes d’orientation. Par contre, le bénéfice est très important au début et à la fin du jour (fort accroissement de la puissance crête produite par le module et du rendement de conversion), car à ces moments l’orientation du module fixe est très éloignée de la direction du soleil ce qui réduit fortement la quantité du rayonnement solaire qu’il capte. L’expérimentation du mode poursuite montre qu’il en résulte un gain en rendement moyenné sur la durée du jour de l’ordre de 27 %, valeur concordant avec les gains de 24 à 27 % publiés par d’autres études. Un tel gain est très appréciable pour améliorer la rentabilité économique des grands projets solaires qui voient actuellement le jour dans les pays du Sud de la Méditerranée. Il ne serait évidemment pas transpo- sable dans d’autres régions où le rayonnement solaire diffus est relativement plus important que dans le Sud- ouest algérien. Références [1] Bendjelouli Zakaria, «  Contribution à la modélisation d’une cellule solaire », thèse de magistère, 2009, université de Bechar. [2] Rebhi Mhamed, « Modélisation et Réalisation d’un système de poursuite solaire automatique dans le site de Bechar », thèse de magistère, 2007, université de Bechar. [3] Barkat .B, Chara. K (université de Batna), « Expérimentation du système de poursuite solaire « AUROSOLAR », Meeting of Physics Energetic, Bechar - Algérie, 2004. [4] M. Belarbi, K. Haddouche & A. Midoun, ”Modeling and Simulation of Photovoltaic Solar Panel“ ERW, 2008, URER, Ghardaia, Algerie. [5] A. Chermitti, « Un système extrémal appliqué à la poursuite solaire », SIPE 2004, université de Bechar. [6] Harmim El Yakout & A.Harmim, « Contribution à l’op- timisation de l’inclinaison des panneaux photovoltaïques d’un système de pompage installé en milieu saharien » Meeting of Physics Energetics, Bechar - Algérie 2006. [7] P. Roth, A. Georgiev, H. Boudinov, “Design and construction of a system for sun-tracking Renewable Energy”, Volume 29, 2004. [8] W. Lorenz, “Design guidelines for glazing with a seasonally depend solar transmittance”, Solar Energy 1998. [9] Ali Chermitti, « Modélisation et optimisation des capteurs à poursuite solaire - Asservissement extrémal à l’aide d’un moteur à courant continu », Thèse de doctorat, 2002. [10] M. Iqbal, Duffie & Beckman, ‘’An introduction to solar radiation‘’, Academics Presse, 1995. [11] A. A. Zekry, ‘’New maximum power point tracker using sliding-mode observer for estimation of solar array current in the grid-connected photovoltaic system’’, IEEE- August 2006. [12] Jacob, « Etude d’un système de poursuite solaire », Lycée Louis Vincet de Mertz, 1997. Mhamed Rebhi ingénieur en microélectronique, il a obtenu un diplôme de magistère en microélectronique photovol- taïque. Depuis 2007, doctorant en physique énergétique pour une étude d’un système hybride photovoltaïque diesel. Membre des laboratoires LEZA à l’université de Béchar et LEESI à l’université d’Adrar. Ali Benatiallah Magistère en physique énergétique depuis 1994, docteur en physique énergétique depuis 2007, ac- tuellement maître de conférence à l’université d’Adrar, fon- dateur et directeur du laboratoire LEESI. Abderrahmane Belghachi professeur en physique, fonda- teur et directeur du Laboratoire de physique et des dispo- sitifs à semi conducteur à l’université de Béchar depuis l’an 2000. Mabrouk Sellam ingénieur en électrotechnique depuis 1985. Magistère en électrotechnique depuis 1994, docteur en électrotechnique depuis 2008. Membre du laboratoire LEZA à l’université de Bechar. Maître de conférence à l’uni- versité de Béchar. Boufeldja Kadri ingénieur en électronique depuis 1994. Magistère dans le domaine des télécommunications depuis 1998, docteur en télécommunications depuis 2011, mem- bre du laboratoire de télécommunications à l’université de Tlemcen. les auteurs