Student Projects
Contact Information
University:
Team Members (with year of graduation): (1) BALGA TARI Jublin, (2) HAMAN BALOU BALOU, (3) TSAFACK Aubin
Faculty Advisers: KESSEL POMBE Joseph
Email Address: kesselpombe@yahoo.r
Submission Language: French
Project Information
Title: optimisation de la puissance d’un système photovoltaïque destiné à la charge d’énergie dans les batteries stationnaires
Abstract:
Dans un contexte où le taux d’accès à l’électricité est de 11,8%, soit 30% pour les ménages urbains contre à peine 5% en zone rurale, la situation énergétique à Maroua dans l’Extrême-Nord Cameroun demeure préoccupante. Cependant, depuis plus d'une décennie, l’énergie solaire photovoltaïque (PV) offre les possibilités d’accès à l’énergie électrique (éclairage, stockage électrique des batteries, alimentation des BTS, pompage d’eau, etc.). Dans cet article, nous présentons la conception, la simulation et le fonctionnement sous LABVIEW/MULTISIM, d’un système de production d’énergie photovoltaïque destiné au stockage de l’énergie électrique dans des batteries de tension inferieure à celle optimale des panneaux PV. A l’issue de ce travail, la conception d’un convertisseur DC-DC dévolteur et une commande Maximum Power Point Tracking (MPPT) couplé à un Circuit de Commande BUCK (CCB) a permis de réguler la puissance du système de production d’énergie photovoltaïque en fixant sa tension de sortie à une tension optimale de valeur fixe. Les résultats de la simulation montrent effectivement que cette tension régulé grâce au couplage MPPT-CCB permet de fixer la tension de sortie du système photovoltaïque au bout de 69ms ce qui garanti non seulement des pertes minimales mais un rendement amélioré (environ 80%) et un bas coût du système photovoltaïque. Le taux d’électricité peut ainsi être augmenté dans la région de l’Extrême-Nord Cameroun sans avoir recours au réseau électrique national et/ou aux centrales thermiques à fuel.
Project Introduction
Ce projet qui est une contribution au développement socio-économique dans la région de l’Extrême-Nord Cameroun, entre dans un processus d’incubation d’entreprise de conception de systèmes de production d’énergie PV. Il offre la possibilité aux élèves ingénieurs en formation à l’Institut Supérieur du Sahel (ISS), de s’approprier des techniques de production d’énergie PV à travers la conception, la modélisation et la simulation sous LABVIEW/MULTISIM des convertisseurs statiques DC-DC, de la mise en oeuvre de la commande MPPT et du Circuit de Commande BUCK. Le stockage de l’énergie électrique issue d’un système photovoltaïque permet d’assurer un service énergétique continu. Mais lorsque la tension des batteries est inferieur à la tension optimale du système photovoltaïque, cela induit considérablement des pertes énormes au niveau du système photovoltaïque. Pour résoudre ce problème (optimiser la puissance électrique et minimiser les pertes énergétiques du système photovoltaïque), nous avons modélisé et conçu sous LABVIEW/MULTISIM un convertisseur DC-DC et un MPPT que nous avons couplé à un Circuit de Commande Buck (CCB). Cette méthode permet alors de réguler la tension de sortie du panneau photovoltaïque en la fixant à sa valeur optimale. Les résultats de la simulation montrent effectivement qu’au bout de 69ms, la tension de sortie du système photovoltaïque est régulé et atteint sa valeur maximale. Nous avons analysé le fonctionnement du système complet conçu. Une étude expérimentale viendra confronter et confirmer les résultats du modèle élaboré sous LabVIEW/Simulink.
Structure du système photovoltaïque La structure du système photovoltaïque est constitué de :
- un module photovoltaïque (poly-cristallin ASM12130 : puissance nominale : 100 W ; tension nominale : 13.8 V ; courant nominal : 4 A) ;
- un convertisseur DC-DC (10 kHz) ;
- une commande MPPT, qui fixe la tension du système photovoltaïque ;
- un Circuit de Commande Buck (CCB) dont le rôle est de commander le transistor de puissance Mosfet F1007 du convertisseur DC-DC à l’ouverture et à la fermeture ;
- une charge (résistance ou batterie).
Design Methodology
- modéliser et implanter sous Simulink, toutes les blocks rentrant dans la conception de la structure globale du système ;
- coupler ensuite le MPPT au CCB pour réguler la tension de sortie du système photovoltaïque et caractériser les paramètres électriques du système ;
- analyser les performances électriques du système PV global.
Design Architecture
a. Conception de la structure du convertisseur DC-DC
Le convertisseur DC-DC est muni des éléments du système PV dont la fonction est la suivante :
- une inductance Let des capacités (EC,SC) dont le rôle est de filtrer le courant et de minimiser le taux d’ondulation de la tension à l’entrée et à la sortie du convertisseur ;
- un transistor de puissance Mosfet F1007 de faible résistance1007FR jouant le rôle de commutateur/interrupteur ;
- une diode D1A Schottky de type MURB1620CTG en roue libre dont le rôle est d’évacuer l’énergie stockée dans la self pendant le blocage du transistor F1007.
b. Conception de la structure de la commande MPPT
La commande MPPT réalisé régule la tension de sortie du panneau PV à une valeur de référence (fixe) constante. Les différents blocs de la commande MPPT sont :
- l’amplificateur de différence qui calcule l’erreur entre une fraction fracPVV− de la tension réelle reelpvV− aux bornes du panneau PV et une tension de référence choisie2,4refVV=. Les résistances 20R et 21Rseront théoriquement calculées de telle manière à avoir une erreur nulle, lorsque la tension à la sortie du module est fixée à une valeur initiale VpiVqui dépend de la température et des saisons du lieu considéré.
Détails :
- l’amplificateur non inverseur dont le rôle est d’amplifier l’erreur ;
- l’amplificateur inverseur dont le rôle est de changer le signe de l’erreur ;
- l’intégrateur (circuit RC), de constante de temps0τ, dont le rôle est de générer la tension de référencerefV. Si cette tension augmente (ou diminue), le point de fonctionnement du générateur PV se déplace vers les conditions du circuit fermé (ou ouvert) ;
- le comparateur LM8261M5 compare la tensionrefVà celle en dent de scie fournie par l'oscillateur NE555, pour générer à la sortie du comparateur un signal modulé en largeur d’impulsion et de fréquence 10 kHz.
c. Conception de la structure du Circuit de Commande BUCK (CCB)
L’amplitude du signal de la commande MPPT est faible pour commander correctement le transistor Mosfet du convertisseur DC-DC. Pour résoudre ce problème, on a couplé la commande MPPT avec un circuit de commande BUCK. Il est constitué de :
- un oscillateur NE555 ;
- un circuit de pompage de charge ;
- un inverseur à transistor bipolaire ;
- un driver.
Functional Description
6. Results and Discussion
Le but de ce travail était d’optimiser la puissance de fonctionnement d’un système PV. Les résultats obtenus à l’issue de la simulation sous Simulink (voir fichier Projet_final.ms12 exécutable) montrent bien que le système PV converge lors de son fonctionnement vers une tension optimale. Nous avons pu réguler cette tension par le couplage de la commande MPPT-CCB. Au bout de 69ms, cette tension converge vers une valeur fixe, qui est la tension optimale de fonctionnement du système PV. L’intérêt de cette étude sous LabVIEW/Simulink était aussi de confronté les résultats de simulation obtenu sous d’autres outils de simulations. Il ressort que sous Labview/simulink, le système converge rapidement vers sa puissance optimale. Il serait intéressant de généré cette commande sous Labview pour avoir un fonctionnement automatique du système réalisé et passer au prototypage.
Toutefois, il est certain que le système réalisé réduit les pertes du système PV à environ 80% et offre non seulement des possibilités de réduction du coût du système PV mais aussi si le système est vulgarisé, cela permet de garantir un accès et une continuité des services énergétiques dans la région de l’Extrême Nord. Le système peut aussi être un outil pédagogique dans des écoles d’ingénieur pour l’évaluation des paramètres électriques du PV.
7. Conclusion
Dans le cadre de ce travail, nous avons analysé le fonctionnement optimal par simulation d’un système PV sous Simulink. Les résultats expérimentaux n’ont pas été faits par manque de composant aditif. Toutefois, les résultats de la simulation montrent bien que le système PV converge vers une tension fixe optimale à sa sortie. Ce résultat est obtenu en régulant la tension de fonctionnement du système par couplage de la commande MPPT-CCB. La régulation consistait à commander le transistor F1007 du convertisseur DC-DC à l’ouverture et à la fermeture, ce qui a été fait.. L’ensemble des résultats obtenus montrent effectivement que le rendement du système PV est amélioré et cela induit un coût minimal du système PV. L’énergie produite par le système PV peut alors être stocké dans des batteries de tension faibles à la tension optimale du système PV et utiliser pour des installations individuelles garantissant ainsi un service énergétique continu indépendant du réseau national et des systèmes de production d’énergie par le fuel.
