UNIVERSITE MOULAY ISMAIL Ecole Supérieure de Technologie ENERGIES RENOUVELABLES &
LP
EFFICACITE ENERGETIQUE
EREE
COMPTE-RENDU
MATLAB SIMULINK
Réalisé par :
Encadré par :
BOUICHICHAN Oussama ECHAFAI Youssef ZARAI El houcine
Mr.SAADANI
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Table de matières :
INTRODUCTION :……………………………………………………………………....4 TPN°1 :……………………………………………………………………………………5 1.
La déclinaison solaire d : ................................................................ ....................................................................................... ............................. ...... 5
2.
Programme écrit éc rit sous MATLAB : .............................................................. .............................................................................. ................ 6
3.
Interprétation des résultats : ............................................. .................................................................. ............................................ ....................... 7
TPN°2 :……………………………………………………………………………………8 1.
Angle horaire w : .............................................. ................................................................... .............................................. ...................................... ............. 8
2.
Programme écrit sou MATLAB : ........................................... ................................................................ ..................................... ................ 8
3.
Interprétation des résultats : ............................................. .................................................................. ............................................ ....................... 9
TPN°3 :…………………………………………………………………………………..10 1.
La Hauteur solaire h : ............................................................... .................................................................................... ................................. ............ 10
2.
L’éclairement solaire G* : ........................................... ................................................................ .............................................. ......................... 10
3.
Le programme écrit sous MATLAB : ............................................................ ....................................................................... ........... 11
4.
Interprétation des résultats : ............................................. .................................................................. .......................................... ..................... 13
TPN°4 :…………………………………………………………………………………..14 1.
Introduction à Simulink : ................................. .......................................................... .............................................. ................................. ............ 14
2.
Schéma électrique éle ctrique d’une cellule photovoltaïque : ................................ ..................................................... ..................... 15
3.
Les diagrammes : ...................................... ............................................................... .............................................. ........................................ ................... 17
4.
Les courbes obtenues : ............................................. .................................................................. .............................................. ............................. .... 20
5.
Interprétation des résultats : ............................................. .................................................................. .......................................... ..................... 24
~2~
TPN°5: :………………………………………………………………………………………26 1.
Diagramme réalisé : ................................................................................................... 26
2.
Les courbes : .............................................................................................................. 27
3.
Interprétation des résultats : ....................................................................................... 27
CONCLUSION:…………………………………………………………………..……..28
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INTRODUCTION :
Partout dans le monde, des millions d'ingénieurs et de scientifiques utilisent MATLAB
pour analyser et concevoir les systèmes et produits de demain. MATLAB est présent dans des systèmes automobiles de sécurité active, des véhicules spatiaux, des appareils de surveillance médicale, des réseaux électriques intelligents et des réseaux mobiles LTE. Il est utilisé dans les domaines de l'apprentissage automatique, le traitement du signal, la vision par ordinateur, les communications, la finance computationnelle, la conception de contrôleurs, la robotique et bien plus. La plate-forme MATLAB est optimisée pour résoudre les problèmes scientifiques et techniques. Le langage MATLAB, basé sur les matrices, est le moyen le plus naturel au monde pour exprimer les mathématiques computationnelles. Les graphiques intégrés permettent de visualiser facilement les données afin d'en dégager des informations. Grâce à la vaste bibliothèque de boîtes à outils prédéfinies, vous pouvez commencer directement par les algorithmes essentiels à votre domaine. L'environnent bureau encourage l'expérimentation, l'exploration et la découverte. Les outils et les fonctionnalités MATLAB sont tous testés rigoureusement. Ils sont conçus pour fonctionner conjointement.
Intérêts :
Programmation infiniment plus rapide pour le calcul et pour l’affichage.
Une librairie très riche.
Possibilité d’inclure un programme en C/C++.
Langage interprété : Pas de compilation donc pas d’attente pour compiler.
Possibilité d’exécuter du code en dehors du programme.
Code facile à comprendre et très lisible.
Une aide très bien faite.
Inconvénients :
Vitesse de calcul moins rapide qu’en C/C++.
Payant (équivalent gratuit scilab).
Application auto-exécutable peu pratique.
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TP N°1 :
Cette première séance du TP a pour but de nous familiariser avec l’usage de MATLAB et
de prendre les bases de programmation sous ce logiciel. On a commencé par écrire un programme pour tracer le profil de la déclinaison en fonction du nombre de jours.
1. La déclinaison solaire
:
C’est l’angle formé par la direction du soleil et le plan équatorial terrestre, on adopte la convention de compter positivement les latitudes de l’hémisphère Nord (compris 0° à l’équateur et +90° au pole Nord) et négativement celle de l’hémisphère Sud (Compris entre 0° à l’équateur et -90° au pole Sud), et variée tout au long de l’année entre deux valeurs extrêmes
±23,45°.
Figure 1 : Variation de la déclinaison au cours de l’année
Les lois du mouvement relatif terre-soleil permettent de calculer les variations de la déclinaison au long de l’année. Pour la pratique, une formule d’approximation est suffisante, elle est donnée par l’équation :
= 23,45×sin(
( −))
Ou avec plus de précision :
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= (, (−)+ ( −)) Avec : J : Le numéro du jour de l année compté à partir du 1er janvier, c'est-à dire il varie de 1 à 365 ou 366 selon l’année. Maintenant, on doit écrire un programme sous MATLAB pour trace la variation de la déclinaison durant l’année.
2. Programme écrit sous MATLAB :
Après l’exécution du programme on a la courbe suivante :
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Figure 2 : Variation de la déclinaison au cours de l’année
3. Interprétation des résultats : d =
0 (Equinoxes) : Les équinoxes représentent les deux dates de l’année où le soleil
traverse le plan équatorial, l’équinoxe automnal, le 23 septembre, marquant le début de la chute de la durée de la journée, et l’équinoxe vernal le 21 mars, marquant le début de l’accroissement de la durée du jour. d =
23,45° (au Solstice été) : Le solstice d’été (au 21 juin), nous observons que le soleil est
à son point le plus élevé dans le ciel. Elle marque le début de l’été dans l’hémisphère nordique. d =
-23,45° (au Solstice hiver) : Il coïncide avec le 21 décembre, c’est le début de l’hiver.
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TPN°2 :
Après l’initiation à MAT AB, on doit écrire des programmes pour tracer les profils des
différents paramètres qui caractérisent le gisement solaire. Dans cette 2é e séance on a tracé le profil de l’angle horaire en onction du temps solaire vrai.
1. Angle horaire
:
C’est l’angle que font les projections de la direction du soleil avec la di ection du méridien du lieu, l’angle horaire du
oleil varie à chaque instant de la journée selon la relation
suivante :
= ( −) Avec : w :
Angle horaire.
TSV : Temps solaire vrai ou temps repéré de façon que le soleil se trou e zénith à midi.
2. Programme écrit sou MATLAB :
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Après l’exécution du programme, MATLAB affiche la courbe suivante :
Figure 3 : Variation de l’angle horaire en fonction du temps solaire vrai.
3. Interprétation des résultats : Comme nous avons dans la relation, la courbe de l’angle horaire est sous forme d’une droite croissante car A>0, il commence par la valeur de 180° à 00h et il se termine par la valeur de 180°. On remarque aussi que l’angle horaire est négatif dans le matin, positif dans l’après midi et nulle à midi.
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TPN°3 :
Dans cette séance de TP, on a essayé de représenter la courbe de la hauteur solaire et
l’éclairement en fonction du temps solaire vrai.
1. La Hauteur solaire h : C’est l’angle que fait la direction du soleil avec sa projection sur le plan horizontal. La hauteur du soleil varie à chaque instant de la journée et de l’année selon la relation suivante :
() = () ∗() ∗() +() ∗() Avec : h : varie entre -90° à +90°. On prend : h>0 le jour, h<0 la nuit et h=0 aux lever et coucher.
2. L’éclairement solaire G* : L’éclairement énergétique en un point d’une surface réceptrice est le flux énergétique reçu par l’unité de surface de cet élément. Il s’exprime en watt par mètre (W/m²).
Figure 4 : Eclairement énergétique.
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Pour tracer le profil de l’éclairement on doit utiliser les relations suivantes :
Rayonnement direct :
Rayonnement diffus :
Rayonnement global :
− = ∗()∗ ∗(+) = ∗( ()). = +
Le tableau suivant représente les constants A, B et C.
3. Le programme écrit sous MATLAB :
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Ce programme affiche les résultats suivants :
~ 12 ~
Figure 5 : Variation de l’éclairement en fonction du temps solaire vrai.
4. Interprétation des résultats : On constate que l'éclairement global solaire au sommet de l'atmosphère terrestre ( constante solaire) est de 1200 W·m-2. Ce dernier est maximale à midi.
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TPN°4 :
Dans la suite des séances de ce TP on a utilisé une plate forme de simulation pour
modéliser le courant et la puissance d’un panneau photovoltaïque, ensuite trouver les courbes caractéristiques de ces paramètres en fonction de la tension de la cellule.
1. Introduction à Simulink : Simulink est une plate-forme de simulation multi-domaine et de modélisation des systèmes dynamiques. Il fournit un environnement graphique et un ensemble de bibliothèques contenant des blocs de modélisation qui permettent le design précis, la simulation, l’implémentation et le contrôle de systèmes de communications et de traitement du signal. Simulink est intégré à MATLAB, fournissant ainsi un accès immédiat aux nombreux outils de développement algorithmique, de visualisation et d’analyse de données de MATLAB. L’environnement Simulink peut modéliser un système, simuler son comportement, décomposer le design avant son implémentation. Avec Simulink, il est possible de créer des diagrammes hiérarchiques de blocs pour la modélisation haut niveau d’un système, comme des blocs diagrammes de fiabilité, de construire des simulations complètes, d’intégrer des composants comme un signal analogique, des communications numériques ou des logiques de contrôle. La simulation permet de s'assurer que le système correspond aux spécifications. La simulation est paramétrée de manière à optimiser les performances. Simulink peut modéliser des données simples ou multicanaux, des composants linéaires ou non. Simulink peut simuler des composants numériques, analogiques ou mixtes. Il peut modéliser des sources de signaux et les visualiser.
~ 14 ~
2. Schéma électrique d’une cellule photovoltaïque :
Figure 6 : Circuit électrique équivalent d’une cellule solaire à jonction P-N.
D’après la loi des nœuds on a :
Le photo-courant Iph créé par la cellule, dépend à la fois du rayonnement incident et de la température par la relation suivante :
Avec : G : L’éclairement absorbé par la cellule en W/m². Gréf : L’éclairement de référence (1000W/m²). µsc : Coefficient de température du courant de court-circuit (°K), fournit par le fabricant (µsc = 0,004°K). Icc : Le courant du court-circuit débite par la cellule quand la tension à ses bornes est nulle ( Icc = 8,66 A).
~ 15 ~
L’équation de la diode est donnée par :
Io : Le courant de saturation inverse de la diode. q : la charge de l’électron
1,6
C.
T : La température de la jonction en K. K : La constante de Boltzmann (
1,38.10
j/K).
n : Le facteur d’idéalité de la diode cela dépend de la technologie des cellules photovoltaïques (prend n=1 pour une diode idéale). Ns : Nombre des cellules en série (On prend Ns=60). A : Constante égale (1.2 A/Cm 2 K 3). Le courant de la résistance Rp est donné par :
A partir de la première équation on obtient l’expression de courant I de la cellule :
En remplaçant chaque courant par son équation :
Si on suppose que la résistance parallèle est infinie (Rp) l’équation devient :
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Alors l’expression du courant de saturation de la diode Io à n’importe quelle température est :
Eg : Energie de gap (pour le silicium cristallin est égale à 1,12eV) . Tréf : La température de référence. Tréf = 25°C = 298°K Le courant de saturation de la diode à la température de référence Io, réf est :
Voc : La tension de circuit ouvert Vco (on considère Vco=37,8). Maintenant on trace les diagrammes des courants Io,réf, Io, Iph et I.
3. Les diagrammes : Pour tracer les diagrammes on utilise les fonctions mathématiques et les systèmes sous forme de diagramme en blocs.
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Diagramme de I ,réf :
Figure 7 : Diagramme de Io,réf.
Diagramme de I :
Figure 8 : Diagramme de Io.
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Diagramme de I h :
Figure 9 : Diagramme de Iph.
Diagramme de I :
Figure 10 : Diagramme de I.
Apres avoir trouvé les d agrammes des courants, on peut les associer suivant la relation
~ 19 ~
qu’on a trouvé à partir de la loi d’ohm. Voilà le schéma équivalent de l’ass emblage :
Figure 11: Diagramme de l’assemblage.
On a ajouté des composa ts pour tracer les courbes de la puisssan e et le courant en fonction de la tension.
4. Les courbes obtenues : On change l’éclairement G et on trace les courbes : Pour G = 1000W/ ² :
Courant (I)
Figure 12 : Courbe caractéristique I-V à G=1000W/ ².
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Figure 13 : Courbe caractéristique P-V à G=1000W/m².
Pour G=800W/m².
Figure 14 : Courbe caractéristique I-V à G=800W/m².
Figure 15 : Courbe caractéristique P-V à G=800W/m².
~ 21 ~
Pour G=600W/m².
Figure 16 : Courbe caractéristique I-V à G=600W/m².
Figure 17 : Courbe caractéristique P-V à G=600W/m².
Pour G=400W/m².
Figure 18 : Courbe caractéristique I-V à G=400W/m².
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Figure 19 : Courbe caractéristique P-V à G=400W/m².
Pour G=200W/m².
Figure 20 : Courbe caractéristique I-V à G=200W/m².
Figure 21 : Courbe caractéristique P-V à G=200W/m².
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5. Interprétation des résultats : Les propriétés électriques de la cellule sont synthétisées dans un graphe qu’on appelle caractéristique courant-tension. On cite ci-dessus un exemple de courbe caractéristique :
Figure 22 : Courbe caractéristique d’une cellule photovoltaïque.
Dans nos courbes on remarque 3 points importants : Le point de puissance maximale Pmpp (Maximum power point) : c’est quand la charge à une résistance égale à Rcharge que la cellule délivre la puissance maximale. Le courant de court-circuit noté Icc : il s’agit du courant qui traverse la cellule photovoltaïque lorsque le pole + est relié au pole – (la tension à ses bornes est alors nulle). Dans ce cas, la puissance fournie par la cellule (P =UxI) est nulle. La tension en circuit ouvert notée Uco : il s’agit de la tension aux bornes de la cellule lorsque celle-ci est en circuit ouvert, c'est-à-dire lorsque le pole + et le pole – sont isolés électriquement de tout autre circuit électrique (le courant la traversant est alors nul). Dans ce cas, la puissance fournie par la cellule est nulle.
~ 24 ~
Figure 23 : Circuit électrique d’une cellule photovoltaïque.
Pour l’éclairement, on constate qu’il modifie les caractéristique I-V et P-V de la cellule solaire, pas dans sa forme générale mais pour les valeurs Icc,Vco, Im, Vm. Ainsi on remarque que le courant du court circuit Icc est directement proportionnel à l’éclairement.
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TPN°5 :
Dans la dernière séance du TP on a réalisé le diagramme équivalent à un montage en série
de huit panneaux à l’aide de MATLAB en utilisant le diagramme d’un seul panneau, ensuite tracer les courbes de la puissance et de courant.
1. Diagramme réalisé :
Figure 24 : Diagramme de 8 panneaux photovoltaïque.
Apres on ajoute des composants pour tracer les courbes :
Figure 25 : Diagramme de 8 panneaux photovoltaïque
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2. Les courbes :
Figure 26 : Courbe caractéristique I-V de 8 panneaux photovoltaïque.
Figure 27 : Courbe caractéristique P-V de 8 panneaux photovoltaïque.
3. Interprétation des résultats : On constate que dans un groupement de N cellules ou de modules identique en série, le courant de la branche reste le même mais la tension augmente proportionnellement au nombre de cellules (modules) en série. La puissance du groupement est N fois plus grande que celle de la cellule (module).
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Conclusion :
L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie renouvelable car elle utilise une source
d’énergie d’origine naturelle qui e st le soleil. Elle constitue donc une vraie alternative efficace aux énergies fossile à plusieurs titres. Elle est inépuisable, elle peut être produite localement et selon les besoins locaux, elle préserve l’environnement car elle n’émet pas de gaz à effet de serre. Cette énergie est produite électromagnétique du rayonnement solaire en énergie électrique. L’Objectif de ce travail était l’étude des différents paramètres du gisement solaire et le traçage les courbes caractéristiques d’un module photovoltaïque et d’un groupement composé de 8 modules en utilisant le logiciel MATLAB et la plate-forme Simulink.
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