Contribution à l’optimisation de l’énergie soutirée des panneaux photovoltaïques par un système embarqué

Abstract

Vu la forte sensibilité des panneaux photovoltaïques (PV) aux l’irradiation solaire et à la température, leur faible rendement et leur coût élevé, il est impératif de les faire fonctionner au point de puissance maximale (MPP). Dans ce contexte, l’objectif de ce travail est de développer, améliorer et optimiser l'énergie soutirée du panneau PV en utilisant les techniques des systèmes embarqués. Il s’agit donc, dans une première étape d’étudier et de simuler le modèle du panneau PV dans le but d’avoir un modèle fiable décrivant correctement le comportement réel de ce dernier qui sera utilisé par la suite pour simuler et tester les algorithmes MPPT. Dans cette thèse le modèle du panneau PV à une seule diode a été retenu et simulé dans deux environnements connus, Matlab/Simulink et PSIM. De plus, une procédure de simulation d’un panneau PV a été réalisée dans l’environnement Proteus. Les résultats de simulation et expérimentaux ont été confrontés. Dans une deuxième étape de ce travail des modifications à l’algorithme d’incrémentation de la conductance (INC) classique ont été apporté afin d’améliorer lacapacité du contrôleur MPPT pendant les variations brusque de l'irradiation solaire. Trois modifications proposées et exécutées pour cet algorithme à savoir : (1) L’ajout d’une condition permettant de détecter cette variation de l’irradiation solaire et par conséquent d’assurer un suivi MPP correct. (2) L’élimination de tous calculs de divisions dans l'algorithme (INC) afin de simplifier sa structure et facilité son implémentation et par conséquent réduire le temps de réponse et le cout du système photovoltaïque. (3) Adopté un pas variable pour réduire les oscillations en régime permanent et améliorer la vitesse de poursuite sous des variations soudaines d’irradiations solaires. La première modification a été simulée avec le logiciel PSIM en utilisant le test “Software in the Loop”, les résultats ont montré que l'algorithme modifié fournit une réponse précise avec un rendement de 98,8 %. La deuxième modification a été simulée à l'aide du modèle du panneau photovoltaïque élaboré sous Proteus et validée au laboratoire au moyen d’un émulateur solaire et une carte Arduino (Uno intégrant un microcontrôleur Atmega328) justifiant ainsi le faible coût du système avec une efficacité de 98,5 %. La troisième modification a été développée en guise de la manière adoptée par l’industrie automobile et aéronautique dans le but d’une éventuelle intégration dans ces domaines. Le cycle de développement en V sera donc suivi, et notre contrôleur MPPT va se soumettre aux trois tests à savoir les tests : Model In the Loop, Software In the Loop et Processor In the Loop. Ces trois tests du cycle ont été exécutés et testés avec Matlab/Simulink, et la carte STM32F4 a été utilisée pour le test PIL. Par ailleurs, nous avons aussi envisagé d’implémenté un algorithme MPPT très puissant basé sur le filtre de Kalman dans le cas où la précision, la robustesse et l’efficacité du système priment sur son prix. Les résultats de simulation de cet algorithme montrent clairement sa supériorité par rapport aux algorithmes classiques. Le rendement obtenu avoisine 100% (99,38). En résumé de ce travail, nous pouvons dégagés deux idées majeures : La première, pour des applications à faible coût avec des bonnes performances nous proposons l’utilisation de l’algorithme INC modifié. La seconde, pour des applications plus performantes et critiques nous proposons l’algorithme basé sur le filtre de Kalman.