ICRE’07 University of Bejaia

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OUTIL D’AIDE A LA DECISION DANS LES APPLICATIONS SOLAIRES

M. Tounsi(*), H.Bektache, N.Nasri

(*) Laboratoire LAMOS, Université A.MIRA de Bejaia, Algérie

Département d’électronique, Université A.MIRA de Bejaia, Algérie

mdtounsi@yahoo.fr, Bektache.halim@yahoo.com, http://blogmatlab.blogspot.com/

Abstract - In the last few years, it has become impossible to circumvent renewable energies because of theirs multiple

advantages. In fact, a lot of applications have been realized

around the world. In our country, solar applications

(photovoltaic, thermal) are very promising for electric power

generation, water pumping, heating and air conditioning.

I this paper, we present a software tool for computer aided decision in such applications. This tool, which is simple and

ergonomic, serves the technical design and the calculation of

the cost fall of solar systems.

Mots-clés : profil de charge, dimensionnement, système

photovoltaïque, système thermique, amortissement.

I. INTRODUCTION

L’utilisation des sources d’énergie conventionnelles

(surtout les combustibles fossiles) se traduit continuellement

par des effets écologiques néfastes : augmentation des

émissions de gaz à effet de serre, réduction de la couche

d’ozone, fonte des glaces et dérèglement climatique [1]. Aussi,

beaucoup d’actions sont menées à l’échelle planétaire pour en prémunir les générations futures.

Les progrès technologiques aidant, de nombreux programmes

et applications des E.R sont réalisés pour promouvoir leur

utilisation, car elles sont propres et inépuisables. En

particulier, les applications solaires, photovoltaïques (P.V) et

thermiques, sont très prometteuses dans les pays riches en

gisement solaires tels que l’Algérie.

Il reste que la réussite de telles applications, exige d’abord un

bon dimensionnement des installations pour assurer une

adéquation parfaite de la demande énergétique à la capacité de

production tant du point de vue génération, stockage, et distribution. De plus, la durée de vie des installations reste

tributaire d’une bonne gestion de la production.

Notre présent article propose un outil d’aide à la décision pour

s’équiper de systèmes solaires pour divers besoins.

II. OBJECTIF

Notre objectif a été de développer un logiciel simple et

ergonomique, pour aider des clients potentiels dans leur décision à s’équiper de systèmes solaires. Ce logiciel, incluant

une aide documentaire technique et un guide d’utilisation,

devrait répondre à leurs divers soucis en leur permettant une

facilité de compréhension, un suivi des différentes étapes de

conception et de dimensionnement, ainsi qu’une analyse

financière de leur investissement.

III. PRESENTATION DU LOGICIEL

Notre logiciel est conçu en une interface graphique

développée sous environnement GUIDE-MATLAB, avec une

structure arborescente pour faciliter son exploitation.

Figure 1 – Structure globale de l’interface

Cet outil est dédié aux fonctions suivantes :

Calculs de dimensionnement d’installations photo-

voltaïques pour l’alimentation électrique (en courant continu DC ou alternatif AC), ou pour le pompage d’eau.

Calculs de dimensionnement d’installations thermiques

du type chauffe-eau et du type climatisation « douce »

(plancher chauffant/rafraîchissant).

Analyse économique traitant de l’évaluation des coûts des équipements à l’estimation de l’amortissement de

l’investissement sur les systèmes :

- Le coût des systèmes est calculé soit sur un investi-ssement propre du client soit avec une subvention des

pouvoirs public ;

- les prix des équipements solaires sont ceux pratiqués localement ;

- Le calcul d’amortissement considère un coût des

consommations annuelles au prix pratiqué par la

Sonelgaz et une vétusté annuelle des systèmes.

De plus, il offre à ses utilisateurs des renseignements

généraux sur l’énergie solaire, les détails des calculs de

dimensionnement avec des bases de données des

équipements à utiliser et leur agencement architectural

ainsi que des animations flash.

SYSTEMES

THERMIQUES

SYSTEMES

PV

BASE DE DONNEES

ANALYSE

ECONOMIQUE

DIMENSIONNEMENT

CHOIX DE

SYSTEME

SYSTEME AC

CHAUFFE-EAU

PLANCHER

CHAUFFANT

SYSTEME DC

POMPAGE EAU

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Une fois le type d’installation choisi, l’utilisateur entamera les

étapes de dimensionnement des installations solaires

répondant à ses besoins et à son profil de charges :

Pour le cas photovoltaïque (alimentation DC ou AC, pompage d’eau), ces étapes sont organisées comme suit :

Détermination du profil de charge.

Dimensionnement du champ photovoltaïque.

Calcul de la capacité de la batterie (au besoin).

Choix du régulateur, de l’onduleur, de la pompe.

Figure 2 - Fenêtre de choix d’un système P.V.

et dans le cas d’installations thermiques (chauffe-eau

domestique ou plancher solaire) :

Détermination du profil de charge.

Dimensionnement du capteur thermique.

Quantité de gaz CO2 évité.

Figure 3 - Fenêtre de choix d’un système thermique.

IV -ELEMENTS DE DIMENSIONNEMENT

IV.1 - SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES

Notre logiciel traite 02types de systèmes P.V :

Système d’alimentation électrique [2] pour répondre aux besoins énergitiques d’habitations ou d’infrastructures

isolées du réseau électrique (ateliers, relais, balisage

…etc), soit en courant continu DC ou en alternatif AC.

Figure 4 - Synoptique d’un système P.V DC / AC

Système de pompage d’eau [3] pour l'approvisionnement

en eau pour usage domestique ou pour l’irrigation. L’eau

est stockée dans des réservoirs adaptés à la demande et

aucune batterie électrochimique n’y est nécessaire [3].

Figure 5 – Synoptique d’un système de pompage solaire.

Les étapes de dimensionnement sont organisées comme suit :

a) Etape 1 - Détermination du profil de charge

L’énergie consommée (EC) est calculée selon le type et le

nombre de charges du client afin de déterminer justement la

taille du générateur P.V à installer.

b) Etape 2 - Estimation de l’énergie requise

Pour l’alimentation électrique AC & DC : L’énergie P.V

à générer est égale à :

EP = EC / K (1) où K est un coefficient correcteur estimé à 0.65.

Pour le pompage d’eau : L’énergie requise pour la pompe

est donnée [3] par :

p

H HMT * Q * C

Eélec (2)

Où HMT est la hauteur manométrique totale,

D, CH et p : le débit, la constante hydraulique et le rendement du groupe motopompe (30 à 45%) .

c) Etape 3 - Dimensionnement du champ P.V

La puissance crête du champ P.V est donnée par :

PPV = Ep / IR (3)

Où IR est l’irradiation moyenne journalière (5kW/m²/jour).

Le nombre total de modules P.V est donné par :

N = PPV / PM (4)

Où PM est la puissance crête d’un module solaire.

La configuration du générateur P.V (nombre de branches,

nombre de modules par branches) est obtenue à partir du type

de modules choisis dans la base de données (selon leurs

puissances crêtes, tensions et courants) et de la tension du

système.

d) Etape 4 - Calcul de la capacité de la batterie (au besoin)

Son expression est donnée par:

C = (EC * NA)/ (D * V * BAT) (5)

Où NA est le nombre de jours d’autonomie ;

D est la profondeur de décharge maximale admise ;

BAT est le rendement de la batterie ; V est la tension de la batterie (du système).

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e) Etape 5 - Choix du régulateur (au besoin):

Le type du régulateur est choisi dans une base de données,

avec comme principales caractéristiques :

Plage de tension : 80% Vnom<V < 160% Vnom

Seuil de déclenchement contre surcharge : 120% Vnom ;

Seuil de déclenchement contre décharge : 90 % Vnom ;

Seuil de réenclenchement : 105% Vnom ;

Courant de court-circuit :120% Inom.

f) Etape 6 - Choix de l’onduleur (au besoin)

De la même façon, le type d’onduleur est choisi tel que :

Tension d’entrée nominale : Vnom (tension nominale du système)

Tension de sortie nominale : Souvent 220V

Courant d’entrée nominal : Ie nom = IPV nom = PPV / Vnom ;

Courant de sortie nominal : Is nom = ICH nom = PC / 220 ;

Rendement en puissance : 95% à charge nominale ;

Surcharge brève admise : 115 % Pnom pendant ;

Mode stand by en absence de charges ;

Capteur de charges : à 30W (inhibé en cas de surcharge) ;

Courant de court-circuit : 120% Inom

Pertes cuivre et pertes fer : < 1% Pnom:

g) Etape 7 - Bilan économique [4]

Le coût du kWh est calculé en rapportant l’investissement

annuel (somme des coûts des équipements rapportés à leurs

durées de vie) à l’énergie produite durant l’année.

L’amortissement annuel est calculé comme suit :

Ak = Coût total – (Gain + Ca) *(1+ ß) k (6)

Où Ca est l’investissement annuel calculé sur toute la durée

de vie de l’installation ;

ß est un taux d’amortissement (pris égal à 5%) ;

k l’indice de l’année considérée ;

et Gain le coût des consommations annuelles.

IV-2 - SYSTEMES THERMIQUES [5] :

Deux types de systèmes thermiques sont traités:

Le chauffe-eau solaire [6] permettant d’avoir l’eau chaude

sanitaire. Un appoint en gaz ou en électricité, peut être

ajouté pour garantir une continuité de service durant des

conditions climatiques défavorables .

Figure 6 - Le chauffe–eau solaire domestique.

Le plancher chauffant/rafraîchissant solaire [7] constitué

d'un tandem capteurs - plancher chauffant. Ce dernier se

compose d'un réseau de canalisations insérées dans le sol

pour y faire circuler l’eau. En hiver, la chaleur de l’eau se

diffuse à travers le sol et rayonne pour chauffer l'air

ambiant. En été, le plancher de température plus basse,

absorbe la chaleur du logement et l’eau circulante la

rejette vers l'extérieur lui assurant ainsi un

rafraîchissement.

Figure 7 - Canalisations d’un plancher solaire.

Le dimensionnement est fait suivant les étapes suivantes :

a) Etape 1 - Evaluation de la consommation

b) Etape 2- Estimation de l’énergie requise

Diverses données doivent être introduites : du site

(températures minimales de chaque mois, irradiation, latitude, longitude…) et des caractéristiques des équipements à utiliser.

Pour le chauffe-eau :

L’énergie totale est calculée en tenant compte de

toutes les pertes (ballon/tuyauterie).

Q = Qrequise + Qperte (ballon) + Q perte (tuyauterie) (7)

avec: Qrequise =Cp.ρVL(TH-TEF) ;

Qperte (ballon) = CrVS.(TH-TEF ) (8)

Q perte (tuyauterie)=2

j=1 Lj.ki .(TH-TEF)

Où TH est la température désirée d’eau chaude ;

TEF : la température de l’eau froide;

Cp, ρ : capacité calorifique et masse volumique d’eau ;

VL, Vs : le volume d’eau à chauffer et le volume de

stockage;

Cr : constante de refroidissement du ballon ;

L1 : longueur de la tuyauterie du circuit solaire ;

L2 : longueur de la tuyauterie de distribution ;

ki : coefficient de déperdition linéique de la tuyauterie.

Pour le plancher :

L’énergie annuelle nécessaire pour satisfaire le besoin en

chauffage, est donnée par la formule suivante :

8.0*

***24

DeltaT

IDDJUE (9)

où DJU (degrés jours unifiés) est une température moyenne

estimée sur 30 ans à base de 18°C).

I est un coefficient d’intermittence caractérisant les baisses momentanées de température, pris à 0.85.

DeltaT : la différence entre la température intérieure souhaitée (de 18° à 28°C) et celle de base (température du

mois le plus froid de l’année) ;

D : la déperdition thermique du logement dépendant de son isolation et de ses dimensions.

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c) Etape 3 - Dimensionnement du capteur thermique :

La puissance utile du capteur est donnée par :

Pu = S0.(B. Ir – k.(TH - TEF )) (10)

Où S0 est la surface du capteur (m²); B : le gain du capteur ;

K : coefficient de conversion thermique du capteur ;

Ir : l’irradiation quotidienne ;

TH : la température désirée d’eau chaude.

TEF : la température de l’eau froide.

Le nombre de capteurs et leur surface totale sont

donnés par :

Nc = Q/ Pu et S = Nc*S0 (11)

V. APPLICATIONS

Dans cette suite, nous exploitons notre logiciel pour dimensionner un système P.V et un système thermique.

V.1- SYSTEME P.V A COURANT ALTERNATIF

Le but est de dimensionner un système PV pour alimenter

en alternatif un foyer (type F4) de 6 personnes consommant : Éclairage : 1680 Wh;

Refrigeration : 2000 Wh;

Radio & T.V : 680 Wh;

Divers : 1360 Wh ;

soit une consommation quotidienne de : 5.7222 kWh/jour.

Hypothèses :

Tension d’alimentation : 220 Vca. Tension continue : 110 Vcc.

Modules multi cristallin :

(Vfonct =14V, Puissance crête 50Wc, rendement 90%).

Résultats obtenus :

CARACTERISTIQUES DU SYSTEME

Ch

amp

s

P.V

Nombre de modules 32

Nombre de branches 4

Nombre par branches 8

Bat

teri

e Capacité (AH) 217

Autonomie (jours) 3

Vnom / élément (Vcc) 2

Rég

ula

teur

Courant nominal 16

Protection contre surcharge 132

Protection contre décharge 99

Seuil de réenclenchement 116

On

du

leu

r

Puissance (kVA) 95

Fréquence (Hz) 50

Courant d’entrée (A) 16

Courant de sortie (A) 9

Plage de fonctionnement (V) 99 – 160

Analyse économique :

Avec subvention

(40%)

Sans

subvention

(*) Le coût annuel considère un remplacement de la batterie

(2 fois) et des modules (1fois).

F i g u r e 8 - A m o r t i s s e m e n t d u s y s t è m e P . V .

-1,6

3

-1,1

3

-0,6

3

-0,1

3

0,3

7

0,8

7

1,3

7

1 6 11 16

T e m p s ( a n s )C

o û

t

( M

D A

)

Commentaire : L’analyse économique de l’exploitation de

l’installation P.V montre un coût du kilowattheure élevé

(du fait du poids de l’investissement initial) mais un

amortissement intéressant au bout de la 11ième année

(avec un gain considérable dés la 15ième année). Ces 2 paramètres sont beaucoup améliorés si l’on considère une

subvention des pouvoirs publics à hauteur de 40% du coût

global. Cette aide existe dans beaucoup de pays, y

compris en Algérie, pour encourager l’utilisation des

sources renouvelables.

Il est très évident que nos résultats seront beaucoup plus intéressants pour des foyers moyens (type F3) car le

profil de charge considéré ici, est élevé (foyer type F4).

V.2 - CHAUFFE-EAU SOLAIRE DOMESTIQUE

Ici, nous dimensionnons un chauffe-eau solaire pour les

besoins de la même famille que l’application précédente,

consommant :

Cuisine : 60 L/ jour;

Besoins sanitaires : 30 L/ jour/ personne;

soit une consommation quotidienne de : 240 L/jour.

Hypothèses :

Tuyauterie : 15mm, longueur L = 25 M Ballon : 250L, Constante refroidissement : 0.22 Wh/°C.jour

Capteur : Type Giordano C8, rendement : 65%, surface : 2m², coefficient de transmission thermique : 4,89 w/m²k.

Coût initial (DA) 815 000 1 630 000

Durée de vie (ans) 25 25

Coût annuel (DA) (*) 69 072 115 120

Coût du kWh (DA) 18,74 31,23

Période (ans)

d’amortissement 7 11

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Résultats du dimensionnement :

CARACTERISTIQUES DU SYSTEME

Température d’eau chaude (°C)

Volume d’eau à chauffer (L)

Energie requise (kWh/jour)

60

240

16,61

Température minimale de Janvier

Température moyenne annuelle

07

14,33

Bal

lon Volume (L) 250

Constante de refroidissement

(Wh/°k.L/jour) 0,22

Cap

teurs

ther

miq

ues

Surface (M2) 2

Coefficient de transmission thermique

(W/M2.K) 6.24

Rendement (%) 65

Inclinaison (°) 46

Nombre de capteurs 3

Analyse économique :

Avec subvention

(40%)

Sans

subvention

Durée de vie (ans) 20 20

Analyse écologique :

Type d’énergie Quantité du Co2 évitée (Kg/an)

Fioul domestique 2122

Gaz naturel 1698

Charbon 2183

Commentaire :

La période d’amortissement est identique à celle du

système P.V. précedent mais le coût du kilowattheure est très

intéressant et l’investissement initial assez modeste. De plus, cette application est interessante du poit de vue écologique du

fait qu’une grande quantité de gaz carbonique est évitée.

VI - CONCLUSION

L’Algérie, comme beaucoup de pays du sud, possède

un gisement solaire très important, qui favorise l’utilisation de

d’énergie solaire dans diverses applications photovoltaïques et

thermiques : pour l’alimentation électrique notamment

dans les sites isolés, pour le pompage d’eau, pour le

chauffage d’eau sanitaire, pour la climatisation -

plancher chauffant / rafraîchissant.

C’est dans cette optique, que l’objectif de notre

présente communication, est de passer du stade d’études

théoriques au stade d’offrir un service d’aide à la décision de

choix de systèmes énergétiques autonomes pour des utilisateurs potentiels afin de capitaliser les expériences et

programmes déjà réalisés dans ce domaine.

Les résultats que nous obtenons en termes d’amortissement

des installations, sont très intéressants surtout avec une

subvention publique. Ces résultats seront beaucoup plus

meilleurs dans le cas d’installations collectives (dans les

villes).

Nous démontrons ainsi que le solaire est très compétitif par

rapport aux sources conventionnelles surtout si l’on compte

les dépenses faites en amont des centrales produisant ces

dernières.

REFERENCES

[1]: « Utilisation et promesses de l’énergie solaire » :

J.Vaillant, 2nde édition, Eyrolle,s Paris 1978.

[2] : « Energie solaire : calcul et optimisation » : Jacques

Bernard, INSA de Toulouse, édition ellipse, Paris 2004.

[3] : Le pompage photovoltaïque IEPF/ cours de l’université

d’Ottawa/EIER/CREPA, de Jimmy Royer, Thomas

Djako, Bocar Saob Sy

[4] : « La nouvelle technique comptable », L .Guiard, et

C.Perochon, Les éditions Foucher - Paris.

[5] : “Solar Energy thermal Processes”, Duffie, J.W Beckman,

et J. Wiley, New York, US 1974.

[6] : «Calcul d'installations solaires à eau », M.Chateauminois,

et al.. Edisud / Pyc Edit, Aix-en-Provence, Paris 1979.

[7] : « Calcul des planchers solaires directs » : Daniel Roux,

D. Mandineau, et M. Chateauminois, 21 janvier 2007.

Coût initial (DA) 358 500 597500

Coût annuel (DA) 17925 29 875

Coût du kWh (DA) 2 ,96 4,93

Période (ans)

d’amortissement 7 11

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