Document explicatif_developpeur - Modele Matlab_SimulinK_ PV_IMD_FHR.docx

Projet HIP
Document
explicatif/développeur
– Modèle PV sur Matlab
/ Simulink
Version 1.0
Direction Recherche & Innovation
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Projet R&I HIP et ITM
Référence Document : User Guide – Actionneur linéaire - Version 1.0 2
Résumé
L’objectif global de ce travail est d’implémenter étape par étape sur Matlab/Simulink un modèle de panneau
solaire, afin d'étudier les caractéristiques I-V, et P-V d'un module solaire typique de 36 W tout en utilisant un
circuit équivalent à une diode. D’où l’objectif final est d’étudier le fonctionnement d’un système hybride à
hydrogène PV/Electrolyseur/Batterie/PEMFC et l’introduire dans une voiture à Hydrogène (Toyota Mirai).
Dans ce document développeur, nous présentons en détails une explication des différents blocs et sous-blocs
Matlab Simulink du modèle ‘PV.slx’ qui comprend six sous blocs de base : le premier sous blocs permet de
convertir la température de °C en Kelvin (K) afin qu’il puisse être utilisé pour les restes de sous blocs : le deuxième
sous-blocs qui permet de calculer le NsAKT, le troisième présente les équations de calcul du courant du photons
(Iph), le quatrième sous-bloc qui permet de calculer le courant de saturation inverse de la diode (Irs), et le
cinquième sous-bloc qui décrit la méthode de calcul le courant de saturation du module (Is). Et à travers le dernier
sous bloc, Nous pouvons calculer le courant de sortie du module. Le modèle proposé est conçu avec des icônes
conviviales et une boîte de dialogue comme les bibliothèques de blocs Simulink.

Identification chantier
Structure projet Désignation
Projet R&I : HIP
Lot de travail : HIP
Sous-Lot : Matériaux et systèmes innovants
Tâche : User Guide – Matlab / Simulink – Module de Panneau Solaire (PV)
Suivi du document
Rédacteur Nature de l’évolution Version Date
HAIDAR Fatima Rédaction/Correction/Validation V.1 27/12/2022

Sommaire
1. Introduction ............................................................................................................................ 5
2. Modèle Matlab Simulink PV........................................................................................................ 6
3. Présentation des sous blocs Matlab/Simulink ............................................................................... 7
4. Références.............................................................................................................................13

1.Introduction
Parmi les sources d'énergie renouvelables, l'énergie provenant des effets photovoltaïques (PV) peut
être considérée comme la ressource le plus durable, et la plus importante en raison de l'abondance
gratuite et de la durabilité de l'énergie solaire lumineuse. Ces systèmes photovoltaïques ont
récemment été reconnus comme des leaders dans la production d'énergie électrique renouvelable.
Quelque soit l’interruption de la lumière du soleil, l'énergie solaire est largement disponible et gratuite.
Ces systèmes sont silencieux et ils peuvent générer de l'électricité à courant continu sans avoir un
impact sur l'environnement, ni de contamination lorsqu'ils sont exposés au rayonnement solaire.
Dans ce livrable, nous présentons la simulation étape par étape, un module PV ainsi que les détails
du chaque bloc et sous-système par Matlab/Simulink, qui représente l'unité de conversion de
puissance fondamentale d'un système de générateur PV.
Les caractéristiques de sortie d'un module PV dépendent de l'ensoleillement, de la température des
cellules et de la tension de sortie du module PV1
.
Les cellules solaires, également appelées cellules photovoltaïques, convertissent la lumière solaire en
énergie électrique selon une loi physique appelée l’effet photovoltaïque. La cellule solaire forme une
photodiode à jonction PN fabriquée dans une fine tranche de semi-conducteur. Il a une grande surface
qui émet des signaux électriques sans l'utilisation d'une source d'alimentation intermédiaire. Nous
constatons que lorsqu'il y a interaction entre les photons du soleil et la cellule solaire, certaines photos
sont réfléchies et d'autres sont absorbées ou transmises au niveau de la cellule solaire. Il faut savoir
que les photons absorbés entrent dans l'effet photoélectrique.
Le modèle mathématique d’un générateur photovoltaïque est basé sur un circuit équivalent. Nous
présentons dans la figure 1 ci-dessous, le circuit est par une source de courant Iph qui représente le
photocourant de la cellule, 2 résistances Rs et Rsh qui présentent respectivement les résistance série
intrinsèques et shunt de la cellule et une diode en parallèle 1–3
.
Figure 1: Cellule PV modélisée comme un circuit équivalent à diodes
Les cellules PV sont regroupées en unités plus grandes appelées modules PV. Ces unités sont ensuite
connectées dans une configuration parallèle-série pour former un générateur PV.
Le panneau photovoltaïque peut être modélisé mathématiquement comme indiqué dans les équations
[1-4] 1–3
.
Module de Photocourant 𝐼𝑝ℎ = [𝐼𝑆𝐶𝑟 + 𝐾𝑖(𝑇 − 298] ×
𝜆
1000
(1)
Courant de saturation inverse du module 𝐼𝑟𝑠 = [𝐼𝑆𝐶𝑟/[exp (
𝑞𝑉
𝑜𝑐
𝑁𝑠𝑘𝐴𝑇
) − 1] (2)

Le courant de saturation du module I0
varie avec la température de la cellule
𝐼0 = 𝐼𝑟𝑠 [
𝑇
𝑇𝑟
] exp[
𝑞 × 𝐸𝑔0
𝐵𝑘
(
1
𝑇𝑟
−
1
𝑇
)] (3)
La sortie du courant du module PV 𝐼𝑃𝑉 = 𝑁𝑝 × 𝐼𝑝ℎ − 𝑁𝑝 × 𝐼0[exp (
𝑞 × 𝑉𝑃𝑉 + 𝐼𝑃𝑉𝑅𝑠
𝑁𝑠𝑘𝐴𝑇
) − 1] (4)
avec Vpv = Voc, Np = 1 and Ns = 36.
2.Modèle Matlab Simulink PV
Le modèle du panneau solaire (PV) a été modélisé en utilisant la plateforme Matlab/Simulink. Comme
présenté par la Figure 2, ce modèle prend en entrée l'irradiation (Insol), la température de
fonctionnement en degrés Celsius (Temp) et la tension du module (Vvp) et donne le courant de sortie
Ipv et la tension de sortie Vpv ou Vout comme montrée dans le tableau 1.
Figure 2: Modèle Simulink du module PV
Tableau 1: Paramètres d’entrée et de sortie du Module PV
Nom Unité Description
Entrée
𝐼𝑛𝑠𝑜𝑙 (A) Courant d’entrée d'un module PV
𝑇𝑒𝑚𝑝 (K) Température
𝑉𝑝𝑣 (V) Tension d’entrée d'un module PV
Sortie
𝐼𝑝𝑣 (A) Courant de sortie d'un module PV
𝑉𝑝𝑣 (V) Tension de sortie d'un module PV
𝑃𝑝𝑣 ()
Afin de tester le fonctionnement du module PV, nous avons ajouté plusieurs scopes pour pouvoir tracer les courbes
suivants : Ipv en de Vpv et Ppv en fonction de Vpv. Ces résultats seront montrés, discutés et validé dans un
document de validation.
Le modèle de PV comprend 6 sous-systèmes interconnectés comme indiqué dans la Figure 3 ci-
dessous qui seront détaillé (entrée, sortie et équations mathématiques) étape par étape par la suite (
partie 3).

Figure 3 Les sous-blocs Matlab-Simulink du modèle de Panneau Solaire
3.Présentation des sous blocs Matlab/Simulink
Conversion de la température du °C en Kelvin
Le sous-système 1 présenté par la Figure 4 ayant l’entrée et les sorties présenté dans le Tableau 2, permet de
convertir la température de fonctionnement du module PV donnée du degrés Celsius en Kelvin, en modélisant
l’équation suivante :
𝑇𝑟𝑒𝑓 = 273 + 25 (5)
𝑇 = 273 + 𝑇𝑜𝑝
(6)

Figure 4: Sous-système 1- Conversion de la T du °C en Kelvin
Tableau 3: Paramètres d’entrée et de sortie du sous-système 1 qui permet la conversion du (°C) en (K).
Entrée 𝑇𝑟𝑒𝑓 (K) Température de référence du module
Sortie
𝑇
(K) Température de fonctionnement du
module
𝑇𝑜𝑝 (°C) Température d’opération
Calcul du photocourant (Iph)
Le sous-système 2 est illustré dans la Figure 5 ainsi que le circuit correspondant. Le tableau 4 suivant présente
les entrées et les sorties du bloc Matlab/Simulink du sous-système 2.
Ce modèle calcule le courant de court-circuit (ISC) à une température de fonctionnement donnée.

Figure 5 : Sous-système 2 – Calcul du photocourant
Tableau 5: Paramètres d’entrée et de sortie du sous-système 2 qui permet de calculer le photocourant.
Nom Unité Description Valeur
Entrée
𝑇𝑟𝑒𝑓 (K)
Température de référence du
module
25°C
𝑇 (K)
Température de
fonctionnement du module
30 à 70°C
Insol Insolation/ Irradiation 1
Isc ref (A)
Courant de court-circuit (ISC)
à température de référence
2,55
Sortie Iph (A) Le photocourant -
L’équation 7 est la fonction utilisée afin de trouver le courant photonique générateur de lumière du module PV :
𝐼𝑝ℎ = [𝐼𝑠𝑐 𝑟𝑒𝑓 + 𝐾𝑖 (𝑇 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 )] ∗ 𝑋 avec X=l’irradiation (7)

Calcul du courant de saturation inverse (Irs)
Le sous-système 3 est illustré à la figure 7. Ce modèle prend le courant de court-circuit ISC à la température de
référence. = 2,55A et la température de référence du module Tref = 25°C en entrée comme entrée, afin de
pouvoir calculer le courant de saturation inverse (Irs) en sortie (tableau 6).
Figure 6: Sous-système 3 qui permet de calculer le courant de saturation inverse (Irs)
Tableau 6: les paramètres d’entrée et de sortie du sous-système3
Nom Unité Description Valeur
Entrée
𝑇𝑟𝑒𝑓 (K)
Température de référence du
module
25°C
Isc ref (A)
Courant de court-circuit (ISC)
à température de référence
2,55
Sortie Irs (A) Courant de saturation inverse -
En utilisant l'équation suivante, le courant de saturation inverse de la diode est calculé dans le sous-système
3.
𝐼𝑟𝑠 = 𝐼𝑠𝑐/[exp(
𝑞𝑉
𝑜𝑐
𝑁𝑠𝑘𝐴𝑇𝑟𝑒𝑓
− 1] (8)

Le sous-système 4 ainsi que son circuit présenté sur la figure 8 prend en entrée le courant de saturation inverse
Irs, la température de référence du module Tref(K) = 25°C et la température de fonctionnement du module TaK
et calcule le courant de saturation du module (Is) (tableau 7).
Figure 7: Sous-système 4 qui permet de calculer le courant de saturation (Is)
Tableau 7: les paramètres d’entrée et de sortie du sous-système 4
Entrée
𝑇𝑟𝑒𝑓 (K) Température de référence du module
Ta (K)
la température de fonctionnement du
module
Irs (A) Courant de saturation inverse
Sortie Is (A) Courant de saturation
L’équation mathématique utilisée pour calculer le Is est présenté dans le sous-système 4 (figure 8).

Calcul du NsAKT
Le sous système 5 prend la température de fonctionnement T exprimée et calcule le produit NsAkT, le
dénominateur de la fonction exponentielle dans l'équation présentée dans lz figure 9 qui donne le circuit
correspondante.
Figure 8: sous-système 5 – calcul de la NsAKT
Entrée
Ta (K)
La température de fonctionnement du
module
Sortie NsAKT (-)
dénominateur de la fonction
exponentielle
Ce modèle exécute la fonction donnée par l'équation de la sous-système 5. L'équation de fonction suivante est
utilisée.
𝐼𝑝𝑣 = 𝑢(3) − 𝑢(4) × (exp (
𝑢(2) ∗ (𝑢(1) + 𝑢(6))
𝑢(5)
) − 1) (9)

Figure 9: sous-système 6 – calcul de courant de sortie du module
Entrée
Iph (A) Le photocourant
Is (A) Courant de saturation
NsAKT (-)
dénominateur de la fonction
exponentielle
Vpv (V) la tension de sortie du module PV
Sortie Ipv (A) La sortie du courant du module PV
4.Références
1. Pandiarajan, N. & Muthu, R. Mathematical Modeling of Photovoltaic Module with Simulink. International
Conference on Electrical Energy Systems (ICEES 3–5 (2011).
2. Jee-Hoon, J. & Shehab, A. Model Construction of Single Crystalline Photovoltaic Panels for Real-time
Simulation. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (2010).

3. S.Chowdhury, G.A. Taylor & Y.H.Song. Mathematical Modelling and Performance Evaluation of a Stand-
Alone Polycrystalline PV Plant with MPPT Facility. IEEE (2008).

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l’acquisition en 2020, et l’expertise de Capgemini dans le domaine du digital
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capacités du Groupe, elle aide les entreprises à accélérer leur transformation vers
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les logiciels et l'Internet, le spatial et la défense, et les biens de consommation.
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