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HAL Id: tel-00673218 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00673218 Submitted on 23 Feb 2012 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Modélisation du stockage de l’énergie photovoltaïque par supercondensateurs Mohamed Ansoumane Camara To cite this version: Mohamed Ansoumane Camara. Modélisation du stockage de l’énergie photovoltaïque par supercon- densateurs. Autre. Université Paris-Est, 2011. Français. NNT : 2011PEST1071. tel-00673218 CENTRE D'ÉTUDES ET DE RECHERCHE EN THERMIQUE, ENVIRONNEMENT ET SYSTEMES CERTES- EA 3481 FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES Ecole Doctorale : Sciences, Ingénierie et Environnement Thèse présentée pour l’obtention du titre de Docteur de l’Université Paris Est Créteil en Sciences de l’Ingénieur par Mohamed Ansoumane CAMARA Institut Polytechnique de CONAKRY – Université Gamal Abdel NASSER – GUINEE Modélisation du stockage de l’énergie photovoltaïque par supercondensateurs soutenue publiquement le 4 juillet 2011 devant la commission d’examen composée de : Rapporteurs : Mr Roger MARTIN Professeur des universités émérite – IUSTI, Université de Provence Mr Bernard DAVAT Professeur des universités – ENSEM, INP Lorraine Examinateurs : Mr Mohand TAZEROUT Professeur des universités – École des Mines, Nantes Mr Jean-Félix DURASTANTI (Directeur de thèse) Professeur des universités– CERTES, Université Paris Est Créteil Mr Pierre-Olivier LOGERAIS (Co-directeur de thèse) Maître de conférences – CERTES, Université Paris Est Créteil 2 Mohamed Ansoumane CAMARA CERTES – Université Paris-Est Créteil Mohamed Ansoumane Camara 3 CERTES – Université Paris Est Créteil REMERCIEMENTS Mes remerciements vont d’abord au Pr Roger Martin et au Pr Bernard Davat pour avoir accepté d’être les rapporteurs de ma thèse, ainsi qu’au Pr Mohand Tazerout pour avoir bien voulu en être l’un des examinateurs. Concernant l’organisation et la prise en charge de mes quatre séjours en France, toute ma gratitude au service de coopération et d’action culturelle de l’ambassade de France en Guinée et à l’organisme EGIDE. Plus au quotidien de ma thèse, il me faut remercier vivement mon directeur de thèse, le Pr Jean-Félix Durastanti pour les fils conducteurs qu’il a donnés à mes travaux de recherche et mon co-directeur, le Dr Pierre-Olivier Logerais, Maître de conférences en énergétique au CERTES, pour ses conseils et son encadrement. Un grand merci au Dr Olivier Riou, également Maître de conférences en énergétique au CERTES, pour son aide si précieuse sur la partie expérimentale et le montage des deux bancs d’études. Mes remerciements vont aussi au Pr Yves Candau pour m’avoir accueilli au laboratoire au CERTES. Ma gratitude va aussi à Mme Evelyne Surugue et à M. Youssef Sfaxi, respectivement ancien et nouveau chef du département Génie Industriel et Maintenance (GIM) de l’IUT de Sénart. Je ne serais oublier M. Francis Vasse, M. Hfaiedh Abbassi, M. Mohamed Ben Mansour, M. Atef Mazioud, M. Vincent Tortel et M. Raouf Khelalfa, tous enseignants de l’UPEC, ainsi que l’ensemble de l’équipe du département GIM de l’IUT de Sénart. Par ailleurs, mes remerciements vont aussi à M. Pierre Ngae et M. Michel Grignon de l’Université d’Évry Val d’Essonne pour leurs conseils. Enfin, je ne peux oublier les membres de ma famille et mes amis qui m’ont soutenu de près et de loin lors de cet investissement. 4 Mohamed Ansoumane CAMARA CERTES – Université Paris-Est Créteil Mohamed Ansoumane Camara 5 CERTES – Université Paris Est Créteil RESUME Le stockage par supercondensateurs de l’énergie photovoltaïque est modélisé afin de disposer d’un modèle suffisamment fin et accessible permettant de les intégrer dans des chaînes de conversion de l’énergie solaire. Les supercondensateurs sont modélisés par un circuit multibranche comportant des résistances et des capacités variables suivant la tension, dont les valeurs sont déterminées par une expérience de caractérisation ayant une bonne précision. Par ailleurs, tous les éléments d’une chaîne typique de conversion de l’énergie photovoltaïque sont modélisés avec le logiciel Matlab/Simulink (gisement solaire, conversion photovoltaïque des panneaux, régulateur, batterie et charges). Le modèle de stockage de l’énergie photovoltaïque par supercondensateurs est ensuite validé par la bonne concordance des mesures relevées en conditions réelles avec les résultats donnés par les simulations. Enfin, deux exemples d’exploitation du modèle sont proposés et discutés : la détermination du temps de charge des supercondensateurs suivant l’éclairement solaire et la température ambiante, et l’intégration des supercondensateurs dans la chaîne d’alimentation électrique d’un moteur à courant continu permettant de réduire les sollicitations électriques sur la batterie lors de l’appel de puissance nécessaire au démarrage du moteur.  Mots-clés : Conversion photovoltaïque ; stockage d’énergie électrique ; supercondensateur ; modélisation ; instrumentation ; 6 Mohamed Ansoumane CAMARA CERTES – Université Paris-Est Créteil Mohamed Ansoumane Camara 7 CERTES – Université Paris Est Créteil ABSTRACT The storage by ultracapacitors of photovoltaic energy is modeled in order to have an accurate and accessible model to integrate ultracapacitors into solar energy conversion systems. Ultracapacitors are modeled by a multibranch circuit representation composed of resistors and capacitors with variable voltage whose values are determined by an accurate characterization experiment. Moreover, all the elements of a typical photovoltaic energy conversion system are modeled by using the Matlab/Simulink software (solar radiation, photovoltaic arrays, regulator, batteries and charges). The energy storage model by ultracapacitors is then validated by the good agreement of measured values taken in real conditions with the results provided by simulations. Finally, two examples are proposed and discussed: the determination of the storage duration of ultracapacitors versus solar irradiance and ambient temperature, and the integration of ultracapacitors in the electrical feeding system of a DC motor to reduce the electrical current peak of the battery at the start of the motor.  Keywords: Photovoltaic conversion; electrical energy storage; ultracapacitor; modelling; instrumentation 8 Mohamed Ansoumane CAMARA CERTES – Université Paris-Est Créteil Mohamed Ansoumane Camara 9 CERTES – Université Paris Est Créteil TABLE DES MATIERES Nomenclature ................................................................................................................................ 13 Introduction ................................................................................................................................... 17 Partie 1 : Le stockage de l’énergie photovoltaïques par supercondensateurs ........................ 21 1. Généralités sur le stockage de l’énergie électrique ............................................................ 25 1.1. Principe ................................................................................................................... 25 1.1.1. Classification des moyens de stockage ........................................................... 25 1.1.2. Besoins centralisés et décentralisés ................................................................ 26 2. Présentation des technologies de stockage de l’énergie électrique ................................. 29 2.1. Stockage à grande échelle ..................................................................................... 29 2.1.1. Stockage gravitaire hydraulique ....................................................................... 29 2.1.1. Batteries ........................................................................................................... 30 2.1.1. Air comprimé .................................................................................................... 31 2.1.2. Deux techniques à l’étude ................................................................................ 31 2.2. Stockage à petite échelle ........................................................................................ 32 2.2.1. Volants d’inertie ................................................................................................ 32 2.2.2. Inductances supraconductrices ........................................................................ 33 2.2.3. Les accumulateurs électrochimiques ............................................................... 35 3. Le stockage électrostatique : condensateurs et supercondensateurs ............................. 43 3.1. Condensateurs ....................................................................................................... 43 3.2. Supercondensateurs ou condensateurs double couche ......................................... 44 3.2.1. Constitution ...................................................................................................... 44 3.2.1. Classification et principe .................................................................................. 45 3.2.2. Supercondensateurs électrostatiques .............................................................. 45 3.2.3. Supercondensateurs électrochimiques ............................................................ 47 3.2.4. Caractéristiques ............................................................................................... 47 3.2.5. Applications ...................................................................................................... 49 4. Intérêt des supercondensateurs dans le stockage de l’énergie photovoltaïque .............. 51 4.1. Les systèmes raccordés au réseau électrique ........................................................ 51 4.1.1. Le réseau interconnecté ................................................................................... 51 4.1.2. Les mini-réseaux ou réseaux isolés ................................................................. 52 Table des matières 10 Mohamed Ansoumane CAMARA CERTES – Université Paris-Est Créteil 4.2. Les systèmes autonomes isolés ............................................................................. 52 4.3. Intégration des supercondensateurs dans les systèmes de conversion de l’énergie solaire ............................................................................................................................... 54 5. Problématique de la thèse .................................................................................................... 57 6. Bibliographie de la partie 1 ................................................................................................... 59 Partie 2 : Chaine de conversion de l’énergie photovoltaïque par supercondensateurs .......... 60 1. Le gisement solaire ............................................................................................................... 65 1.1. L’énergie solaire ..................................................................................................... 65 1.2. Évaluation de l’énergie solaire reçue par un capteur plan ...................................... 67 1.2.1. Temps solaire vrai astronomique ..................................................................... 67 1.2.2. Repérage de la position du Soleil ..................................................................... 69 1.2.3. Interaction du rayonnement solaire avec l’atmosphère terrestre ...................... 71 1.2.4. Repérage de la position du Soleil ..................................................................... 73 1.3. Code d’évaluation de l’éclairement solaire pour un capteur plan ............................ 75 2. Les cellules photovoltaïques et leurs modélisations ......................................................... 77 2.1. Principe d’une cellule solaire à base de silicium ..................................................... 77 2.2. Autres technologies ................................................................................................ 79 2.3. Rendement ............................................................................................................. 80 2.3.1. Définitions ........................................................................................................ 80 2.3.2. Processus internes affectant le rendement ...................................................... 82 2.3.3. Paramètres externes affectant le rendement ................................................... 82 2.4. Modèles de la photopile .......................................................................................... 84 2.4.1. Cellule photovoltaïque idéale ........................................................................... 85 2.4.2. Modèle de la photopile ..................................................................................... 85 2.4.3. Modèle amélioré ............................................................................................... 87 2.5. Modélisation type circuit électrique ......................................................................... 90 3. Les supercondensateurs et leurs modélisations ................................................................ 93 3.1. Théorie de la double couche électrique et modèles « fins » ................................... 93 3.1.1. Théorie de la double couche électrique de Helmoltz ........................................ 93 3.1.2. Amélioration du modèle de Gouy ..................................................................... 94 3.1.3. Les modèles microscopiques ........................................................................... 94 3.2. Modèles de type circuit électrique ........................................................................... 95 3.2.1. Le modèle RC du constructeur ......................................................................... 96 3.2.2. Modèle basé sur la caractérisation fréquentielle .............................................. 96 3.3. Modélisation multibranche sous Simulink ............................................................. 102 3.3.1. Modélisation d’une capacité variable ............................................................. 102 3.3.2. Modélisation d’un élément de supercondensateur ......................................... 103 Table des matières Mohamed Ansoumane Camara 11 CERTES uploads/Litterature/ th2011pest1071-complete.pdf