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MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES

1. Annexe 12 Sp cification pour la g n ratrice s lectionn e Hardy Diesels amp Equipment Inc 15748 Lyons Valley Rd 6003417027 HDYW SERIES www hardydiesel com Power Range kW Standby ie MODEL HDYW 14 M6 Prime 11 6 STANDARD EQUIPMENT Open Type Set Accessories Available for HYW 14 M6 m Skid with integral day fuel tank mon UL Mechanical Accessories Offered m Hardy ME analog auto start control panel Page 4 m Road towing trailers ta DOT standards m Ory type replaceable element air cleaner m Critical grade exhaust mufflers m Industrial muffler m UL double wall fuel tanks to customer specification m Battery battery rack and cables m Oil field type skid m Fuel and lubrication oil replaceable element filters m Flexible exhaust connection for open seis m Stamford AVR brushless 12 wire reconnectable alternator m Oil pressure and engine temperature gauges m Oil drain hand pump m Water Jacket heater m Vibration lsolators between base and set assembly m Extended warranty coverage period m Main Line Circuit Breaker for overload protection m Belt driven charging alternator Generator End Accessories Offered m Guards for shielding all rotating parts m Ant condensation heaters in alternator m Fuel cut off solenoid and protection switches m Radiator with pusher fan Electrical and Control Accessories Offered m Operation and installation manuals m Automatic battery chargers 1 5 and amp amp Sound Attenuated Enclosure m Digital Timer m F
2. Ta CH SS d Voltage Measurementi Figure A 11 Circuit Matlab du hacheur r gulateur de tension S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 72 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Circuit du block onduleur P V Sine Wave 5 EZ Function e z ulse Divide1 gt Diode3 Diodel 1 A Generator 1 D Contralled Voltage Source Ideal Switch Math Discrete Function Total Harmonic Distorsion Divide Math Function Voltage Measurement Math Function Scopez Discrete RMS value Figure A 12 Circuit Matlab de l onduleur S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 73 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Annexe 9 Exemple de script Matlab pour la simulation des panneaux solaires function PANNEAU SOLAIRE pour la puissance 0 degres CELCIUS Va 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 21 22 23 tension de module Suns 1 intensit lumineuse 1000 TaC 0 temp rature A 2 panneau de 2 metre carr d air Donn es panneaux solaires MSX 60 5 5constante n 1 2 facteur de qualit Vg 1 12 tension de bande Xtal 1 12eV pour Si Ns 36 nombre de cellule IA plot Va G T vecteur tension Ia Va vecteur des courants et voltage G nombre d Suns 1 Sun 1000 WJm2a temp rature en degr s Celsius 1 38e 23 la constante de Boltzmann 1 60e 19 charg
3. E Universit du Qu bec en Abitibi T miscamingue MODULE DES SCIENCES APPLIQU ES TUDE ET R ALISATION D UN SYSTEME HYBRIDE D ALIMENTATION DOMESTIQUE AUTONOME EN NERGIE RENOUVELABLE PROJET D TUDES EN ING NIERIE DANS LE CADRE DU PROGRAMME DE BACCALAUR AT EN G NIE LECTROM CANIQUE Pr sent e par S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard Superviseur Ren Wamkeue ing Ph D Prof Titulaire Repr sentant industriel Mario Bussi res Directeur de Bventilation AVRIL 2010 PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON Remerciements Nous tenons adresser nos plus sinc res remerciements notre repr sentant en entreprise Mario Bussi res de l entreprise Bventilation Nous remercions M Vicky Tremblay qui nous a permis de visiter sa maison Celle ci est munie d un syst me de production autonome qui nous a permis de mieux cerner l ampleur de notre projet Nous remercions M Ren Wamkeue ing Ph D Prof Titulaire superviseur l UQAT qui a mis tous les efforts n cessaires l avancement du projet gr ce ses nombreuses connaissances et sa grande exp rience dans le domaine de la production d nergie lectrique Nous remercions M Jean Jacques Beaudoin ing professionnel en lectrique pour sa collaboration et son aide pour l utilisation des logiciels de simulation et de conception de circuit lectrique Sa g n rosit sa passion partager ses connaissances et
4. Lo De wr Lm 0 w m oi L Rey bay Le bo 0 Las 0 0 Le 0 L5 lds Ln 0 L DUU ar 650 0 L4 O0 TAa F dt V X t L T 4 29 En prenant i comme variable d tat l quation devient di SE L 1 XT L V 4 30 Le mod le d tat dx A X B U 4 31 y CIX DIU 4 32 Avec A L x 4 33 B L 4 34 1 0 0 0 _0 1 0 0 C 0010 4 35 0 0 0 1 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 25 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Avec les matrices A B C D du mod le d tat 11 est possible de d terminer la fonction de transfert du systeme complet d ou leur utilite 4 2 1 2 Partie m canique d 1 dr em 2H Te Fwm Tm 4 36 d Omn Wm 4 37 Les param tres de la machine asynchrone sont d finis comme suit toutes les quantit s font r f rence au stator C hdind le lectrique mod le m canique couple Tm constant Figure 4 7 Sch ma bloc de la machine asynchrone Ce sch ma montre le lien qui existe entre la partie lectrique et m canique de la machine asynchrone Le couple lectrom canique entraine le rotor et la vitesse de celui ci influence la tension induite au stator La partie m canique pourrait donc tre vue comme la r troaction du syst me complet Le bloc du mod le lectrique contient la fonction de transfert qui a t d termin e partir des matrices A
5. Premiers 90 m c 10 m c 5000 W m c a 100 5 0 kW Deuxi me 90 m c 10 me 1000 W m c 100 1 0 kW Ex dent 1 0 m c 1000 W m c a 100 1 0 kW Total charges de base 7 0 kW 2 Chauffage lectrique Total chauffage lectrique 0 0 kW 0 0 W m c 0 0 kW 3 Ventilation Climatisation Total ventilation climatisation 0 0 kW 0 0 W m c 0 0 kW 4 Autres Charges il Cuisini re 6 0 kW 25 6 W m c 100 6 0 kW 111 S cheuse 5 5 kW 23 5 W m c 25 96 1 4 kW iv Laveuse 2 0 kW 8 5 W m c 25 0 5 kW Total autres charges 7 9 kW total charges 14 9 kW c Analyse et capacit requise de l entr e lectrique Capacit min en amp re pour tensio 240 Volts 62 A d Capacit recommand e de l entr e lectrique 100 A Tableau 6 1 Table de calcul pour les besoins nerg tiques de la maison S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 51 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Il faut donc que le syst me d alimentation soit capable de fournir environ 15 kW Le c blage devra quant lui pouvoir supporter des courants allant jusqu 100A 6 4 Dimensionnement et choix des composantes Pour r ussir fournir les 15 KW il faut pr voir des installations ad quates D abord il faut que la g n ratrice soit assez puissante pour fournir la puissance la maison en cas de manque de vent et de soleil La puissance nominale de celle c1 sera d au moins 15 KW Puisque l alimentation autonome u
6. S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 64 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Annexe 3 Repr sentation du prototype Ua mut cr TS nn Ft e a 2 e zo um c alc cet a CE TH p WT 8 za em qma j Ets IL S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 65 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Annexe 4 Comparaison du prototype avec la maison type Figure A 6 Comparaison du prototype avec les dimensions d une maison type S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 66 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON Annexe 5 R sum des possibilit s de g n ratrice Tableau A 1 R sum des possibilit s de g n ratrice pour l olienne Type de G n ratrice G n ratrice G n ratrice G n ratrice G n ratrice g n ratrice courant continu asynchrone vitesse synchrone double entrain e vitesse variable a aimants alimentation constante permanents a couplage direct Caract ristiques Utilisation d une Doit tre Peut tirer le Sans boite de Relier au r seau boite de vitesse reli au r seau maximum de vitesse Fr quence fix e Accumulation Le r seau puissance du Ondulation et par le r seau dans des batteries impose la vent redressement Contr le de la Cr ation d une vitesse de Utilisation n cessaire vitesse du rotor tens
7. combinaisons avantages et inconv nients tude de la demande nerg tique d une maison type qu b coise tude de faisabilit Analyser le jumelage olien nergie solaire et g n ratrice au diesel D velopper un mod le dynamique simplifi d une turbine olienne associ e une g n ratrice asynchrone faire des simulations avec Matlab D velopper un mod le dynamique d une g n ratrice diesel et du syst me solaire faire des simulations avec Matlab Analyse complete et un sch ma lectrique d implantation pour la maison type propos e Application pratique choix d quipement sch ma de c blage et des co ts tre en mesure de construire un tel syst me partir de nos documents S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 2 PRO ET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON CHAPITRE 2 Th orie et analyse d une tour convection 2 1 Introduction Dans ce chapitre les principales m thodes pour le transfert d nergie et de chaleur sont expliqu es Ces principes physiques sont r utilis s tout au long du rapport car les composantes du syst me utilisent ceux ci comme source d nergie Avec la compr hension de ces ph nom nes une analyse de similitude pour la conception d une tour de convection qui peut produire 10 kilowatts est aussi d velopp e dans ce chapitre 2 2 Les modes de transferts de chaleur d nergie Il existe trois p
8. bourser un montant pour se raccorder au r seau public environ 20 000 Dans ce cas le syst me devient rentable en 15 ans De plus lorsque les co ts d alimentation dans notre r gion sont plus lev s qu avec Hydro Qu bec le syst me est tr s int ressant On sait que le Qu bec est choy en ce qui attrait au co t de l lectricit mais si on regarde en Europe de tel syst me sont de plus en plus populaire et tr s avantageux pour faire des conomies S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 59 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON CONCLUSION Ce projet a permis l tude de diff rents syst mes de production d nergie autonomes Au d part la recherche de solution permis de mieux laborer un concept de tour de convection autonome pouvant produire environ 10 KW Etant donn les dimensions trop lev es d un tel syst me le projet s est orient vers des sources de production d nergie autonomes telles les oliennes et les panneaux solaires Une maison type qu b coise chauffant au bois devrait pouvoir subvenir ces besoins en nergie en installant le syst me tri nerg tique compos de 16 panneaux solaires de 175 Watts d une olienne de 5 kW et d une g n ratrice de 12 5 kW tant donn le faible co t de l lectricit dont b n ficient les habitants du Qu bec nous recommandons ceux qui peuvent de se connecter au r seau d Hydro Qu bec de diminuer l
9. la tension d entr e Les hacheurs sont con us l aide des transistors de puissance L utilisation de ce composant dans notre projet va permettre de transformer la tension continue produite par les panneaux pour charger la batterie avec la bonne tension continue Le sch ma Simulink du hacheur utilis dans les simulations est pr sent l annexe 8 entr e sortie e 0 e t i t o 0 e i convertisseur de puissance Hacheur Figure A 9 Principe de fonctionnement d un hacheur S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 70 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON Annexe 7 Donn es d ensoleillement au Qu bec 4750 A500 4250 400G FEN ArU Cartographie par sat Qu bec Figure A 10 Cartographie de l intensit de l ensoleillement La valeur de l intensit moyenne d ensoleillement pour l ann e est de 2820 Tableau A 2 Statistiques sur les heures d ensoleillement au Qu bec Heure 102 121 179 217 231 253 221 156 122 79 d ensoleillements en heures S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 71 PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Annexe 8 Circuit du bloc du hacheur r gulateur de tension A B c WEN M Repesting Universal Bridge E T Sequence i E ee HE Add Relay Saturation t gt 5 Series RLC Branch NL E Pulse Generator IGBT Gaini Integrator
10. on peut remplacer la vitesse par l expression P y tiu 2 21 prd S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 10 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Ainsi le nombre adimensionnel devient 2 x DU 0 0093H 1 2p1 371 342 3cp1 2 1 3 EE 2 23 H1 2 p1 3771 3 q2 3 cp 1 2 Avec les param tres initiaux du syst me la valeur de pi 2 sera 2 3 7 2 24 Avec ces nombres il est possible de d terminer quel doit tre la grandeur de la tour pour qu elle produise 10 KW 3332P on Tl plant m 3332 x 10000 18 892 x 1 21 2 x 1 0072 H 19 06m 2 27 H H ECK 2 26 20 73 RI 72 H1 2p1 371 3cp1 2 20 73 x 100001 3 veru 3 7 x 19 061 21 21 371 31 0071 2 a E 2 28 2 29 Ainsi on peut dire que la tour de convection doit avoir une hauteur de 19m et un diam tre de 75m pour pouvoir produire une puissance de 10 KW Bien entendu ces chiffres sont bas s sur un prototype qui n a jamais t test on ne peut donc pas s y fier 100 mais cela donne une id e de l ordre de grandeur que devrait avoir la tour Si jamais quelqu un venait construire le prototype il suffirait de prendre les param tres de celui ci et de refaire la m me d marche pour obtenir des dimensions plus exactes De plus les donn es atmosph riques utilis es pour le calcul peuvent varier d une r gion une autre il faudrait donc s assurer que les donn es soie
11. r pondre nos questions ont t un atout important pour la r ussite du projet Nous remercions aussi les personnes ressources qui ont bien voulu prendre de leur temps pour r pondre nos interrogations et permettre au projet d avancer dans la bonne direction M Walid Ghie ing Ph D Prof en g nie m canique M Fran ois Godard ing Ph D Prof en thermodynamique et en transfert de chaleur Mme Nicole Robert Prof en gestion de projet S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Pagei PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON R sum Ce rapport pr sente dans un ordre logique les tapes des d marches utilis es pour la r alisation du projet interm diaire dans le baccalaur at en g nie lectrom canique de l Universit du Qu bec en Abitibi T miscamingue Le projet consiste faire l tude d un systeme d alimentation autonome pouvant fournir la puissance n cessaire pour une maison type qu b coise En premier lieu une laboration des solutions possibles a t r alis e pour d terminer quel type d installation peut fournir la puissance requise Dans cette optique et la demande du repr sentant industriel de l entreprise BVENTILATION l tude d une tour de convection ayant comme th orie d appui les similitudes avec un prototype d j existant pouvant produire un courant d air constant a t r alis e De cette tude est ressorti un prototype dont les dime
12. s Celsius est de 0 585 volt 36 cellules Tension en circuit ouvert par cellule 75 degr s Celsius est de 0 474 volt 36 cellules Courant de court circuit 25 degr s Celsius est de 3 80 A Courant de court circuit 75 degr s Celsius est de 3 92 A Donn es d entr es constantes G 1 sun 1000 W m V 1 12 volt cellule Des tensions de modules allant de 0 24 volts Donn e de sortie Le courant produit en fonction de la temp rature et de la tension du module R sultat de la simulation La tension produite en fonction du facteur de qualit et de la tension du module avec une intensit de 1000w m2 25 0 degr s Celcius 25 degr s Celcius M TN 50 degr s Celcius S E ee GC M c 75 degr s Celcius x 1 5 a RK o E D V 6 9 10 Ki S N 5 L 0 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Courant A Figure 5 6 Le courant et la tension du panneau solaire en fonction de la temp rature S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 39 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON Explication On remarque que la temp rature a un effet sur la tension de sortie et le courant Lorsque la temp rature est grande le courant atteint une valeur maximale plus grande mais pour des tensions de module relativement faible Lorsque la temp rature est plus faible le courant atteint est moins important mai
13. zi Om x T dt KdAw t 4 69 0 w t Aw t wo 4 70 Avec Mod le lectrique Continuous hdad le m cangiue Pm continue en entr e Figure 4 13 Sch ma bloc de la g n ratrice synchrone S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 32 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Comme pour la machine asynchrone la partie m canique de la machine synchrone peut tre vue comme une r troaction Encore une fois le bloc lectrique contient la fonction de transfert qui a t d termin e a partir des matrices A B C D Le bloc m canique contient les quations 4 69 et 4 70 4 4 2 Moteur au di sel Le mod le global du moteur au diesel est d crit par six quations diff rentielles d crivant les cinq blocs constituant le moteur soit Collecteur Pt Te mt D a Pe Teo m eo d chapement lt qM c Turbocompresseur e Me P Moteur Tm L gende Pc Tc m c P Pression e Echangeur de Pc ech Pa T Temp rature Tcech C Ollecteur Ta M D bit en Kg s chaleur M c d admission Mei Figure 4 14 Sch ma d taill du moteur M1 d finissant les diff rentes notations utilis es Le collecteur d admission est la partie qui fait entr e le fluide comprimer dans le moteur a un debit massique m et a une pression Pa dPa Ta dt V eTe ecn Mela 4 71 a Le collecteur
14. 12 13 14 15 le 10 novembre 2009 Auteur inconnu source www adit fr Energy tower une nouvelle nergie bas e sur la convection de l air http www clean auto com Energy tower une nouvelle energie 539 html Consult le 10 janvier 2010 Auteur inconnu G n ratrice 101 http www galpower com fr resources gensets101 gasordisel aspx consult le 1 mars 2010 Vendeur Solar package http www theresourcestore ca proddetail php prod MagnaSine 220 consult le 3 mars 2010 AMRANLO Etude et identification des diff rents mod les lectriques photovolta ques http works bepress com cgi viewcontent cgi article 1003 amp context djamila rekioua consult le 3 mars 2010 Gouvernement du Qu bec Relev s cartographiques de l ensoleillement au Qu bec http www mrnf gouv qc ca energie innovation innovation non conventionnelles cartes sp consult le 10 mars 2010 Vendeur msmelectric http www msmelectric com consult le 10 mars 2010 LOGICIEL see electrical LT logiciel de dessin lectrique Matlab 2008 et Help Matlab 2008 Version logiciel de simulation S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 61 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Annexe 1 Exemples pour les modes de transfert de chaleur Exemple de convection Le chauffage l aade d un foyer dans les maisons traditionnelles cr e aussi ce ph nom ne puisqu une cellule de convection
15. A 7 Principe de fonctionnement d un redresseur Les batteries accumulateur Afin de stocker l nergie lectrique produite par l olienne lorsque le vent est propice par les panneaux solaires lorsque le soleil est tr s intense ou l exc dant d nergie lorsque la g n ratrice fonctionne et pouvoir r utiliser cette nergie dans des conditions moins favorables la production on utilise un dispositif de stockage de l nergie lectrique la batterie ou la r colte de l hydrog ne La batterie est compos e d unit s lectrochimiques appel es cellules qui produisent un voltage en transformant l nergie chimique qu elles contiennent en nergie lectrique Chaque cellule produit une tension variant entre 1 et 2 V selon le type de batterie En assemblant ces cellules en s rie parall le on obtient des tensions de batteries suivantes 12 24 ou 48 Volt S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 68 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON L onduleur DC AC L nergie lectrique provenant de l olienne et stock e dans la batterie se pr sente sous forme de courant continu CC faible tension continue CC 12V 24V 48V Cependant la majorit des appareils domestiques sont con us pour tre aliment s en courant alternatif CA sous tension alternative lev e CA 110V 120V Le r le de l onduleur est donc de convertir ce courant continu CC en courant alternatif CA ut
16. D UNE MAISON parfois deux enroulements statoriques comportant un nombre diff rent de p les Ainsi lorsque le vent est faible c est le stator ayant le plus de p les qui est sollicit et lorsque le vent est fort c est le stator ayant le moins de p les qui est utilis Ensuite un banc de condensateur est n cessaire pour fournir la puissance r active dont la g n ratrice besoin De plus elle ne peut pas aller chercher la puissance maximale du vent puisque la vitesse de la g n ratrice doit tre constante Turbine olienne entrainant une g n ratrice vitesse variable celle employ e dans le cadre du projet Ce type d olienne peut tirer le maximum de puissance du vent puisque sa vitesse n est pas limit e Son fonctionnement est pareil la g n ratrice asynchrone vitesse constante Un an mometre est utilis pour contr ler le convertisseur qui a pour but de stabiliser la fr quence Par contre lorsqu on connecte le tout une batterie la r gulation de la fr quence devient plus ou moins importante Turbine olienne entrainant une g n ratrice double alimentation Ce type d olienne utilise un rotor bobin avec un fonctionnement de type cascade La fr quence du stator est fix e car 1l est connect au r seau On peut faire varier la fr quence du rotor avec un convertisseur Le contr le de la vitesse du rotor l avantage de pouvoir maximiser la puissance produite par l olienne Turbi
17. INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 7 3 La g n ratrice au diesel 7 3 1 Synoptique de raccordement GENERATRICE ALI DIESEL ONDULEUR 120 AC 120 AC CHARGE Figure 7 3 Synoptique de raccordement pour la g n ratrice A l annexe 13 la mise en plan du sch ma d implantation est disponible CHAPITRE 8 Sant et s curit La premi re tape est de rendre accessible une trousse de premiers soins dans l endroit o les batteries et le mat riel sont entrepos s et de connaitre les premiers soins en cas de choc lectrique L installation et la maintenance doivent se faire hors tension et suivre les r gles de cadenassage Il existe des r gles l mentaires de s curit qui permettent d liminer des accidents reli s une lectrocution qui fait plusieurs victimes chaque ann e au Qu bec l Pensez d abord agissez ensuite 2 R fl chir aux possibilit s de danger avant d entreprendre des travaux 3 Rester toujours vigilant tout au long des travaux 4 Ne pas se laisser distraire par l environnement ou son entourage lors des travaux 5 Etre s rieux et consciencieux puisqu une lectrocution n est pas une blague et peut tre fatale Deuxi mement toute installation doit se faire par une personne autoris e poss dant les cartes ad quates et les comp tences requises Troisi mement il faut que l acc s aux quipements soit contr l Le cabanon pour entreposer les accumulateur
18. INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON L axe vertical repr sente l volution du pourcentage de charge de la batterie la tension aux bornes de la batterie ainsi que le courant de la batterie L axe horizontal repr sente le temps en seconde dans notre cas la dur e de la simulation est de 8 heures La tension est le courant de charge sont constant pendant le chargement CHAPITRE 6 Dimensionnement et choix des composantes pour une maison type qu b coise 6 1 Introduction Le pr sent chapitre a pour objectif de d crire la maison type pour laquelle nous allons ensuite dimensionner les composantes n cessaires pour fournir les demandes nerg tiques de celle ci Le code lectrique du b timent qu b cois va permettre de calculer ces besoins selon la superficie et les l ments qui composent la maison ER Em m n A d RRL Figure 6 1 Mod le de maison type S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 49 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON 6 2 Description de la maison La maison propos e dans ce travail poss de deux tages dont 235 m de surface habitable Le chauffage de la maison s effectue par le biais d un po le bois pour diminuer la charge lectrique du b timent Pour ne pas restreindre les utilisateurs de la maison tous les appareils lectriques habituels tels que le r frig rateur la cuisini re la laveuse et la s cheuse sont
19. S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 17 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON La g n ratrice au diesel comporte plusieurs avantages par rapport a la g n ratrice gaz comme le fait qu elle n a aucun syst me d allumage que la combustion s effectue l aide d une compression ainsi qu un meilleur rendement une long vit plus grande un moindre co t d op ration et un moindre co t d entretien Les diff rences fondamentales entre le fonctionnement d un moteur gaz et d un moteur au diesel sont Un moteur essence prend un m lange d essence et d air le comprime et allume le m lange avec une tincelle Le moteur diesel ne prend que de l air comprim avant d injecter le carburant dans Pair La chaleur et la pression de l air comprim suffisent allumer le carburant Il n a pas de bougie d allumage Les moteurs essence ont un taux de compression entre 8 1 et 12 1 alors que les moteurs diesel ont un taux de compression nettement plus lev entre 14 1 et 25 1 Ce taux de compression d air nettement plus lev assure un meilleur rendement Avantages et inconv nients Tableau 3 3 Avantages et inconv nients de la g n ratrice au diesel AVANTAGES INCONV NIENTS Potentiel nerg tique lev Pollution visuelle et sonore Source d nergie fiable et mission de gaz effet de serre constante Approvisionnement en combustible peut tre Besoin d
20. account the dimensioning choice and cost of system components is proposed in this work S bastien Poulin Dessureault Jeremie B dard HIVER 2010 Page iii PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON Table des mati res Remmer te rie DES ss ps ecd acu var aka ne esee unido tium ee 1 R SUM cane ot iode betae scat btts atop O 2 O pst ec ue ttd teda 11 PRO SULAC E 111 Liste des table dUX oet ste En a nn er vili Liste des abr viations et des symboles nnne 1X Liste des abbreviations etdes symboles SUlte cot t ERE o tnt net X Piste E NONO T UU Em Xl ESC CES HORS Ee er xii CHAPITRE l4 Pr sentation du pro el iier ha Sehr ge en e aaae BAN e ra EU RSS l ETN OG UC le EH l lee ee 2 CHAPITRE 2 Th orie et analyse d une tour copnvechon 3 Z Te ek ere Te e EE 3 2 2 Les modes de transferts de chaleur d Betele oe eei nn tr 3 2 2 LAGE principe d Ee e EE 3 2 22 IGS BHACIDE Je Tai CONGUCION EE 4 2 2 9 Le principe de da TACTAUON EE 5 2 2 Analyse dimensionnelle d une tour convection 6 2 241 Desctrpponsdu PLOlOLy Pe deene 6 2 2 2 Amalyse CS SUNN nn e ee da ten eines an 8 2 2 2 Recommandation EUCONEIUSION s aco aho ieee ee 12 CHAPITRE 3 Les syst mes de production d nergie modulaires olien solaire et E EE 12 RUES COM MING EE I7 3S d T IBntOQUCHOT aoi 2 teet de Lied ertet betae terit in twee Lor dux 12 3 1 2 Description fonctionnel des diff rents types existants nnnnnnnns
21. alis e dans ce document L tude comprend Un cadre th orique Une analyse dimensionnelle d une tour convection naturelle Une description des diff rents syst mes de production d nergie alternative Les quations de chaque syst me pour la mod lisation et la simulation avec Matlab Les simulations et les r sultats Le dimensionnement de la maison type et choix des quipements Le sch ma de c blage et d implantation du syst me Les conseils de sant et s curit La conclusion et les recommandations S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 1 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON 1 2 Probl matique et mandat Probl matique Afin de r pondre aux probl mes d alimentation des maisons situ es dans les zones loign es du r seau d Hydro Qu bec le projet consiste en la mod lisation d une maison ind pendante du r seau s alimentant principalement avec un syst me d olienne et de panneaux solaires Le mandat va permettre d effectuer l tude et la r alisation d un syst me hybride d alimentation domestique autonome Mandat Alimentation d une maison de fa on autonome et le plus respectueux possible de l environnement l aide des sources d nergies vertes Cahier de charges Analyse dimensionnelle pour la cr ation d une tour de convection Analyser tous les syst mes de production d nergies renouvelables connues diff rentes
22. ane coon RK Himoirza ease T pu io ceno Ve Ltr of apscificadons without See eel weet 13 par 100 mi 228 devation above 1000 m 3280 PL Tnpenatune Craie 10 par 10 C 1 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 82 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Hardy M6 Auto Start Analog Controller 1 Main Switch 2 Auto Manual Switch 3 Reset Push Button Controllers LED S 4 Fuel Reserve 5 Battery Charging Fallure 8 Auxillary input Alarm T Glow Plug Pre Heating 8 Stop With Cool Down Period 8 Remote Start Contacta Closed 10 Engine Running 11 Emergency Stop Activated 12 Cwer Speed 13 Low Qi Pressure Hardy Diesels amp Equipment Inc 15749 Lyons Valley Rd Jamul Ca 91935 800 341 7027 ww hard ydiese cam 9000000 i4 High Coolant Temperature 15 Engine Failure 18 Engine Falled ip Start 1T Power Supply Shutdcwns and Alarms for High Coolant Temparatum Low O Pressure Over S paed S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 83 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Annexe 13 Circuit d implantation S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard Hiver 2010 Page 84
23. avant pour en arriver aux dimensions finales est l analyse des similitudes Grossi rement cette analyse peut tre vue comme une r gle de trois en connaissant les param tres du prototype existant et les particularit s du concept final 1l est possible de conna tre les grandeurs de la tour de convection de 10 kW 2 2 2 Analyse de similitude Faire la liste des param tres importants pour le calcul de similarit H 600m D 400m P 50MW T 6 C Tp 6 C P 94 kPa P 101 3 kPa p 1 2 Kg m p 1 8 10 s m cp 1 007 KJ Kg K e crire les unit s de chaque param tre Tableau 2 2 Unit s de chaque param tre H ID Pa Tr tp op L L MET Io MET ML Trouver le nombre j de variable Puisqu il y a 4 dimensions diff rentes dans les variables jJ sera suppos gal a 4 Maintenant il faut trouver un produit de 4 variables qui ne peuvent former un nombre adimensionnel entre eux S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 8 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Pr T p cp M L T 6 seulement si a b c d 0 2 4 Ajouter un param tre additionnel au produit pour former le premier nombre adimensionnel Pr T pcp Pu M L T 0 2 5 Equation des exposants M at c 1 0 2 6 L a 3c 2d 2 0 2 7 T 2a 24d 3 0 2 8 O b d 0 2 9 Donc a 1 2 b 2 c 1 2 d 2 Donc le premier nombre adimensionnel est mi 1 2 A T2p1 2 cp Puisque la pression
24. circuit current 0 06540 015 965 2C Approximate effect of temperature on power 0 54 0 05 C NUT Zn r i nn ua a Notes 1 These data represent the performance of typical modules as measured at their output terminals and do not include the effect of such additional equipment as diodes and cabling The data are based on measurements made at Standard Test Conditions STC which are e Illumination of 1 KW m 1 sun at spectral distribution of AM 1 5 Cell temperature of 25 C or as otherwise specified on curves 2 Electrical characteristics of modules wired in the nominal 6V configuration may be found by using the GV scales on the LV curves For more exact values divide the 12V voltage characteristics in the table by 2 and multiply the 12V current characteristics by 2 Power values are unchanged 3 Under nearly all climatic conditions the solar cells in an operating module are hotter than the ambient temperature a fact which must be considered when reading module data NOCT Nominal Operating Cell Temperature is an indication of this temperature rise and is the cell temperature under Standard Operating Conditions ambient temperature of 20 C solar irradiation of 0 8 kW m and average wind speed of 1 m s Current A Voltage V S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 79 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON
25. e 10 12 14 m s r e Couple m canique la sortie en PU Les r sultats montrent que plus la vitesse d entr e augmente plus le couple a la sortie augmente Le couple va ensuite entrainer la g n ratrice asynchrone qui va cr er la puissance lectrique du syst me olien Le signe n gatif est seulement pr sent pour forcer la machine asynchrone fonctionner en g n ratrice 5 1 1 2 Simulation 2 La puissance produite par la g n ratrice asynchrone entrain e par l olienne Donn es caract ristiques l L angle entre le vent et les pales est de 0 degr 2 G n ratrice synchrone de 20 HP 460 V 60 Hz 1760 rpm 3 Charge de 1000 Watts Donn es d entr es 4 La vitesse du vent en m tres par seconde 12 m s 5 Couple m canique l entr e de la g n ratrice de 17 75 N m S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 35 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Donn e de sortie 6 La puissance lectrique la charge 7 La vitesse de rotation de la g n ratrice 8 La tension la charge 9 Le courant la charge Puissance Watts Figure 5 2 La puissance lectrique fournit par l olienne en fonction du temps La puissance consomm e par la charge est maximale lors de l amor age 2150 watts et devient ensuite constante entre 1140 et 1142 watts en r gime permanent La charge ne consomme pas exactement 1000W car les param tres de ce
26. et la temp rature d pendent de l altitude ce nombre adimensionnel d crit compl tement le syst me Pour introduire les pressions ainsi que les temp ratures du haut et du bas de la tour il suffit de consid rer la diff rence entre les param tres On obtient ainsi Py eegen 211 AP AT2p1 2cp En prenant les quations trouv es dans les graphiques plus haut on obtient Fu je E 7 12 04H 2 0 0093H 2 p 2 cp 2 12 L expression de la puissance en fonction de la hauteur 3332P E H5 2p1 2cp2 2 13 En prenant les valeurs des param tres plus hauts le nombre n1 18 892 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 9 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Pour introduire le diam tre dans le calcul il faut avoir un autre nombre adimensionnel qui tient compte de la vitesse e Ajouter un param tre additionnel au produit pour former le deuxi me nombre adimensionnel Pr T p cp V M L T 6 2 14 Equation des exposants M a c 0 2 15 L a 3c 2d 1 0 2 16 T 2a 2d 1 20 2 17 0 b d 0 2 18 Donc a 0 Jb 1 2 c 0 2 Le deuxi me nombre adimensionnel est donc V AT 1 2cp1 2 CE T2 En rempla ant la diff rence de temp rature par l quation du graphique de la temp rature en fonction de la hauteur le nombre adimensionnel devient V EE 2 20 t 0 0093H U2cp172 Se En consid rant un rendement de 100
27. g n ratrice mode urgence 4 2 Les oliennes Dans cet ouvrage l olienne est consid r e comme un couplage entre une turbine olienne et une g n ratrice asynchrone L quation utile savoir pour l olienne c est la puissance qu elle d veloppe en fonction de la vitesse du vent La puissance du vent est en fait la quantit d nergie que celui ci peut fournir en une seconde Avec l quation de l nergie cin tique S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 19 PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON E 4 1 L expression de la puissance du vent peut tre trouv e en divisant l nergie par le temps Dans ce cas ci pour introduire l unit de temps au d nominateur on remplace la masse par le d bit massique L expression devient donc mV Pyent ER 4 2 Pour d terminer le d bit massique du vent on multiplie le d bit volumique de celui ci par sa densit volumique m Q p 4 3 Le d bit volumique est obtenu en multipliant la surface couverte par le vent par sa vitesse nd En rempla ant l expression du d bit volumique dans l expression du d bit massique celle c1 devient 2 p 4 5 m V En rempla ant l expression du d bit volumique dans l expression de la puissance du vent celle ci devient prd V vent 8 4 6 Puisque la turbine ne r cup re qu une partie de la puissan
28. gt Enroulements phaseb N Eege fa amortisseurs D Q Axe de te l inducteur f H ee eae ln Ca rns d pliasc a Enroulement inducteur ou X d exatation an RER Ld Axe a Phases de l enroulement phase statorique a b c Figure 4 10 Sch matisation d un alternateur synchrone Les quations pour les tensions de phase au stator et au rotor pour une machine synchrone se pr sentent mieux sous l aspect matriciel vu la complexit des quations d Rie 4 48 DUM 4 48 abc abc E abc V 0 R i dt y 4 49 abc R 0 jabc el 0 pare 0 K x KR rei MI all d t S l 4 50 Vr 3 3 0 Lyr Avec Ta 0 0 Tf 0 0 R 0 m Olet Rf 0 rp 0 4 51 0 0 m 0 0 mg Et les matrices d inductances suivantes L L L cos20 gt Lao Tu e 20 m Lu I cos 20 gei E l Ac 27 I 4 52 LL 7 Tuo L COS E Eo tb L cos2 GE 7 To L cos 20 z 4 52 27 zb cm E z ae L L cos 20 z L L L cos 0 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 29 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON L COSO L po COSA Loo Sin O Ja L 8 L 0 le Lem 0 27 Lesin 0 27 4 53 le E lo E in 0 3 3 3 L COS O L p COSA Loo Sin O L 0 EO Lig lo LS lo e in 9 2 4 54 Locos 0 Le elo L in 0 2 3 3 3 En transformant le syst me avec la transformation de Park le circuit quivalent devient v
29. install s dans la maison Avec ces informations il est possible de d terminer la puissance lectrique minimale fournir la maison Selon la section 8 2 du code lectrique du batiment r f 8 le courant admissible minimal des conducteurs de branchement ou celui des conducteurs des art res alimentant un logement individuel doit tre le plus lev des valeurs prescrites l alin a a ou b a 1 une charge de base de 5000 W pour les premiers 90 m de surface habitable voir l article 8 110 du code du b timent plus 2 1000 W suppl mentaires pour chaque surface suppl mentaire de 90 m ou pour toute partie de surface suppl mentaire inf rieure 90 m plus 3 toutes les charges pr vues pour le chauffage lectrique avec les facteurs de demande permis la section 62 du code ainsi que toutes les charges pr vues pour la climatisation avec un facteur de demande de 100 96 sous r serve de l article 8 106 4 du code plus 4 toute charge pr vue pour la cuisini re lectrique calcul e comme suit 6000 W pour une seule cuisini re plus 40 de la valeur exc dant 12 kW dans le cas d une cuisini re de plus de 12 kW plus 5 100 du facteur de demande pr vu pour les chauffe eau sans r servoir les chauffe eau lectriques des saunas des piscines des cuves de relaxation et des bains tourbillons plus 6 toutes les charges pr vues autres que celles qui sont d j num r es aux alin as 1 v Ces ch
30. l olienne seulement 45 23 2 2 Lesysteme de panneau SOA eoe ee Dm d neu me EM EDS 46 5 2 2 1 Simulation 2 La charge de la batterie avec un syst me de panneau solaire Sos M E E 46 250 5 La peneratrice AU 16S6l E 48 5 2 3 1 Simulation 3 La charge de de la batterie et l alimentation avec la oenerattice dU GIESE EE 48 CHAPITRE 6 Dimensionnement et choix des composantes pour une maison type due DECO EE 49 0 E IMO CUCM ON EE 49 EE E ege En Er EE 50 6 3 Calculs de la demande en puissance selon l alin a a du code 51 6 4 Dimensionnement et choix des composantes 00 ceceessssesessesseeeeeecececeeeeeeeeeeeaaaaas 32 6 41 Calculer CHOIR GU banc de EE 52 0 42 Chor der 60H e ille us ee em et ptus te pa hau ut O ne ne ee 54 0 43 KEE EE ENEE 55 644 Choix de la sSeneratice au EE 56 CHAPITRE 7 Sch ma g n ral d implantation et de c blage lectrique 27 f AMOS SOMME EE 27 T Ll Synopique de raccordement coe eee oet E tutu talea Stoeb tu ees 57 T2 Le systeme de Panne Alt Solde EE 57 1241 SY HOPUGUE de raccordeme EE 57 T NEE EE 58 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page vi PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON TOA SYHODHQUE de Tac COPdeMCi EE 58 CHAPITRE S Sante et e EE 58 CHAPITRE 9 Cale ls ee eene UE 59 CONGCISUSIO N ee 60 EH 61 Annexe Exemples pour les modes
31. mie B dard HIVER 2010 Page 78 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON VARIABLES AFFECTING PERFORMANCE l V CHARACTERISTICS The performance of typical MEGA SX 64 and 60 modules is described by the I V curves and electrical eT MSX 64 I V Characteristics characteristics table on the next page Each module s actual tested output characteristics are printed on its label The current and power output of photovoltaic modules are approximately proportional to illumi nation intensity At a given intensity a module s out put current and operating voltage are determined by the characteristics of the load If that load is a battery the battery s internal impedance will dictate the module s operating voltage An I V curve is simply all of a module s possible operating points voltage current combinations at a given cell temperature and light intensity Increases in cell temperature increase current but decrease voltage TYPICAL ELECTRICAL CHARACTERISTICS 12 VOLT CONFIGURATION Current A MSX 64 MSX 60 Typical peak power Pp 64W 60W Voltage peak power Vpp 17 5V 17 1V Current peak power 1pp 3 66A 3 5A Guaranteed minimum peak power 62W 58W Short circuit current 1sc 4 0A 3 8A Open circuit voltage Voc 21 3V 21 1V Bum ei 2 3 4 5 6 7 8 9 W n 2 Voltage V Temperature coefficient of open circuit voltage 80x10 mV PC Temperature coefficient of MSX 60 LN Characteristics short
32. of Electromechanical Engineering from the University of Quebec in Abitibi T miscamingue The project is to study a system of autonomous power supply that can provide power for a typical home in Quebec First an elaboration of possible solutions has been conducted to determine what type of facility can provide the required power In this context and at the request of the representative BVentilation Industrial Company the study of a convection tower as having supported the theory of similarity with a prototype already exists that can produce a constant air current was produced This study revealed a prototype whose dimensions are very large Given the limited feasibility of such a design existing technologies such as wind turbines solar panels and generators using fossil fuels as are studied with MATLAB computer simulations and theories provided in the literature references The study revealed a fuel system that uses a tandem wind solar panels and diesel generators in case of need Analysis of power consumption of the typical house has calculating the parameters of the system The system is composed of a wind turbine to provide a 5K W wind having a speed of 12 m s 16 solar panels which provide 175 W at each sunny day and a diesel generator that can provide up 12 5 KW in case of need An energy storage system consisting of 24 batteries is also expected to increase reliability and system autonomy A complete electrical diagram of achievement taking into
33. solaire s est fait de fa on ce que ceux ci soient plac s sur le toit de la maison Pour faciliter le d neigement en hiver une seule rang e de panneaux solaires est install e Au maximum il peut y avoir 16 panneaux solaires sur une largeur de toit pour la maison mod le Toujours avec le m me fournisseur que pr c demment voici les sp cifications des panneaux Puissance maximale nominale Pmax 175 watts Voltage maximal nominal Vmpp 35 7 volts Courant maximal Impp 4 9 amps Voltage en circuit ouvert Voc 44 4 volts Courant en courant circuit Isc 5 4 amps Figure 6 5 Solar world 175 Watts Cellules par module 72 Type monocrystallin Dimensions LWH 63 39 x 31 89 x 1 34 1610 x 810 x 34 mm Poids 33 Ibs 15 kg Caract ristiques thermiques NOCT 46 C TK Isc 0 06 K TK Voc 0 35 K Certifications IEC 6125 Safety Class II CE Garantie 25 ans pour puissance de sortie 2 ans pour le mat riel S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 55 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 6 4 4 Choix de la g n ratrice au diesel ee A m t E P n Oe LL asi Wa d Figure 6 6 YANmar G n ratrice HDYW 14M6 Au d part il tait pr vu que la g n ratrice ait une puissance nominale de 15 KW mais puisque cette puissance n est pratiquement jamais consomm e nous avons choisi une g n ratrice l g rement moins puissante soit
34. sur le courant et la tension Donn es caract ristiques du panneau Les donn es caract ristiques sont les m me que la ler simulation Donn es d entr es constantes Vg 1 12 volt cellule Des tensions de modules allant de 0 24 volts Donn e de sortie Latension et le courant La tension produite en fonction de lintensit et du courant avec une temp rature de 25 degr s celcius 25 1000 W m2 1500 W m2 20 2000 W m2 2500 W m2 gt D 5 15 TD O E b TD S 10 o D LL 5 A 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Courant A Figure 5 9 Influence de l intensit de l ensoleillement Le courant et la tension sont directement proportionnels l intensit d ensoleillement Lorsque l intensit est plus importante les diff rentes valeurs de courant et de tension le sont aussi Ainsi l efficacit et le rendement du syst me de panneau solaire sont grandement influenc s par l intensit de l ensoleillement L intensit est de loin le param tre le plus important dans le fonctionnement des panneaux solaires S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 42 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 5 1 2 5 Simulation 5 Observation de l influence de l intensit de l ensoleillement sur la tension et la puissance La puissamce produite en fonction de lintensit et du courant avec temp rature de 25 degr
35. syst me 5 2 1 Le syst me d olienne 5 2 1 1 Simulation 1 La charge de la batterie avec l olienne seulement R sultats Tension de charge V Pourcentage de chargement 76 Temps en secondes Figure 5 13 R sultat de chargement de la batterie avec l olienne La courbe du dessus repr sente la tension aux bornes de la batterie S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 45 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON La courbe du centre repr sente le pourcentage de charge de la batterie La courbe du bas repr sente le courant dans la batterie Dans cette simulation le pourcentage de charge initial de la batterie tait de 5 Avant 1 5 sec la tension aux bornes de la batterie est constante 18 V car l olienne n est pas encore amorc e Ensuite la tension augmente 24 volts puisque la tension de sortie de l olienne est r gul e cette valeur Le r gulateur de tension est celui montr l annexe 8 5 2 2 Le syst me de panneau solaire 5 2 2 1 Simulation 2 La charge de la batterie avec un syst me de panneau solaire seulement e panneau solaire est le m me que dans la section pr c dente et sa fiche technique est fournit l annexe 11 R sultat de chargement Courant en charge A Figure 5 14 Droite de charge avec un seul panneau solaire S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 46 PRO ET INTERME
36. tour augmentera la tension La tension augmente donc jusqu ce que le fer du rotor atteigne la saturation magn tique ce moment la tension devient constante 5 1 1 5 Simulation 4 Le courant produit par la g n ratrice asynchrone entrain e par l olienne Courant amp re Temps en secondes Figure 5 5 Le courant fournit par l olienne en fonction du temps Le courant la charge est alternatif et varie entre 6 4 amperes en r gime permanent La courbe du courant ressemble grandement celle de la tension car le courant est directement proportionnel la tension 5 1 2 Le syst me de panneau solaire l aide d un script MATLAB fournit l annexe 9 et des sp cifications du fabricant pour le panneau solaire MSX 60 fournit l annexe 11 on est en mesure de simuler le comportement de la tension du courant et de la puissance la sortie du module pour une intensit d ensoleillement fix 1000 W m De plus l aide de Simulink il est possible de simuler la charge d une batterie avec le circuit illustr la fin de la section S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 38 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 5 1 2 1 Simulation 1 Observation de l influence de la temp rature sur la tension et le courant Donn e caract ristique du panneau Facteur de qualit fixe 1 2 36 cellules Tension en circuit ouvert par cellule 25 degr
37. 1 L2 V Ep v L Figure 4 12 Circuit quivalent avec la transform e de Park suite 2 2 Pour la machine synchrone le syst me d quation de la partie lectrique dans le syst me de r f rence de Park devient S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 30 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Au stator d Vsa t Yraig t 3c Yat Genial 4 55 d va eer CD gta matt 4 56 d Vsq t roiso t gr UoCO 4 57 Au rotor d v t rdet ar pr 4 58 d 0 rpip p t 4 59 d Va i SEO bi 0 0 WmLmq OmlLqmq ta Vsq On La B Glen Lund mba 0 0 tq Yo 0 0 ei 0 0 0 Lo Ve 0 0 0 Te 0 0 Le Vra 0 0 0 0 Tp 0 Lp Va 0 0 0 0 0 Tr lg Lsa O Lma Lma 9 0 la d 0 La 0 D Lae Lmg lg Lag O La Lma 0 0 d isg Lo 0 Lg Lra 0 0 dt lf 0 Lng 0 0 Lrg 0 ip 0 Lm 0 0 0 Lo Lro 2 di V X t L 4 62 dt En prenant 1 comme variable d tat l quation devient di 1 y 7 1y EE HIN 4 63 Le mod le d tat S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 31 PRO ET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON dx 2 A X B U 4 64 y C X D U 4 65 Avec A 1 X 4 66 B L 4 67 100 0 0 0 0 1 0 0 0 0 _ 0 0 1 0 0 0 I lo 00100 SE 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 4 4 1 2 Partie m canique La partie m canique de la g n ratrice synchrone est d crite par t 1 Aw t
38. 23 Figure 4 5 Sch ma de la partie lectrique ramen sur l axe q eeeessuuss 24 Figure 4 6 Sch ma de la partie lectrique ramen sur Iased 24 Figure 4 7 Sch ma bloc de la machine asynchrone sooonnnnnnneeeeseoeeessessssssosesrrrereeesssse 26 Figure 4 8 Circuit quivalent pour mod liser un panneau solaire 26 Figure 4 9 Sch ma bloc du panneau Solaire 2 5 3 21 920 09 1 989 aula 28 Figure 4 10 Sch matisation d un alternateur synchrone sees 29 Figure 4 1 1 Circuit quivalent avec la transform e de Park 1 2 30 Figure 4 12 Circuit quivalent avec la transform e de Park suite 2 2 30 Figure 4 13 Sch ma bloc de la g n ratrice gwvpnchrone 22 Figure 4 14 Schema d taill du moteur M1 d finissant les diff rentes notations utilis es eege ee 33 Figure 5 12 Modele matlab Dour Peoliefifle as ei e 35 Figure 5 2 La puissance lectrique fournit par l olienne en fonction du temps 36 Figure 5 3 La vitesse de rotation de la g n ratrice en fonction du temps 37 Figure 5 4 La tension fournit par l olienne en fonction du temps 37 Figure 5 5 Le courant fournit par l olienne en fonction du temps 38 Figure 5 6 Le courant et la tension du panneau solaire en fonction de la temp rature 39 Figure 5 7 La puissance en fonction de la tension pou
39. AISON Nr Safety Approved fu Typical Electrical Characteristics MSX 60 and 64 modules are listed by MSX 64 MSX 60 Underwriter s Laboratories for electri Maximum power Pmax 64W 60W APPROVED cal and fire safety Class C fire rating Voltage Pmax Vmp 17 5V 17 1V certified by TUV Rheinland as Class II Current Pmax Imp 366A 3 5A equipment and approved by Factory TU Guaranteed minimum Pmax 62W 58W Mutual s for M in NEC Class l Rheinland Short circuit current Isc 4 0A 3 8A Division 2 Group C amp D hazardous locations Open circuit voltage V 0 c 21 AV 21 41V Quality Certified p QM These modules are manufactured in our ISO 9001 lt ertified MM E Z2 LLL LIE i s factories to demanding specifications and comply with IEC Temperature coefficient of e Seier et Egger p Greg short circuit current 0 065 0 015 C 1215 IEEE 1262 and CEC 503 test requirements including Temperature coefficient of power 0 5 0 05 C repetitive cycling between 40 C and 85 C at 85 Nor AC uuu relative humidity IONS e lt j i i i i i 1 These modules are tested labeled and shi in 12V configuration These user impact of one inch 25mm hail at terminal velocity pepe he pe formance o d typical 12V od ue is measured a ard 27 ing i i tput terminals ot ect 2700 VDC frame cell string isolation test D EE che leg m WK x m a E 2 a damp heat test consisting of 1000 hours o
40. ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Selon la r f rence 10 une tour de 50 MW aurait une hauteur de 600m et un diam tre de 400m Dans le cas pr sent la tour devrait produire environ 10 KW pour aliment une maison unifamiliale en hiver Il reste donc d terminer quelles seraient les dimensions de cette tour pour produire la puissance d sir e La m thode mise de l avant dans ce rapport est l analyse dimensionnelle Ainsi il faudrait connaitre les propri t s de la troposph re en fonction de la hauteur pour arriver faire les calculs de l analyse dimensionnelle Voici un tableau qui repr sente les donn es prises par une radio sonde Tableau 2 1 Propri t de la troposph re diff rentes altitudes temps altitude pression temperature humidit 458 a ae LE ee S y 0 1204x 1018 7 o A c 2 n N U Le A 600 800 1000 1200 Altitude m Figure 2 2 Pression en fonction de l altitude S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 7 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 200 400 600 800 1000 1200 N 0 O kg all GG Fe Co oO Q E 0 ken Altitude m Figure 2 3 Temp rature en fonction de l altitude l aide de ces donn es et du concept existant il est possible de d terminer approximativement les dimensions de la tour de convection pour produire la puissance d sir e La m thode de calcul mise de l
41. B C D Le bloc du mod le m canique contient quant a lui les quations 4 36 et 4 37 4 3 Les panneaux solaires Le circuit quivalent le plus simple pour la mod lisation d un panneau solaire est une source de courant en parall le avec une diode r f 12 Figure 4 8 Circuit quivalent pour mod liser un panneau solaire S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 26 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Le courant produit est influenc par plusieurs param tres Lintensit de la lumi re Temperature R sistances en s rie Le facteur de la diode du syst me Le rendement du syst me Hypoth se l La r sistance Rsy est n gligeable gale 0 2 Panneau solaire 1d al quations q V IRs pe e mer 1 4 38 Influence de la temp rature sur le courant photovolta que Ij LT KT T 4 39 Ir ect en g 4 40 LX 17 7 4SC E1 n0m G nom 4 d Isc T2 Igc Ti Ky A 441 Isc T1 Ont qVco T1 4 42 Le courant de court circuit c T est le courant maximal produit lors d un court circuit lorsque V 0 la temp rature d sir e La tension en circuit ouvert s obtient ainsi 7 UP 4 43 CO q n Ip d La tension de sortie en fonction de la temp rature et du courant Puissance nkT lj 4 44 courant de sortie q Io La tension de sortie avec des donn es d entr e intensit et de tem
42. DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Courant en charge A Figure 5 15 Droite de charge avec deux panneaux solaires Explication L axe vertical repr sente l volution du pourcentage de charge de la batterie la tension aux bornes de la batterie ainsi que le courant de la batterie L axe horizontal repr sente le temps en seconde dans notre cas la dur e de la simulation est de 8 heures 1 courbe Le pourcentage de charge de la batterie 2 courbe La tension de la batterie 3 courbe Le courant dans la batterie L volution de la charge de la batterie est directement proportionnelle au nombre de panneaux solaires et le temps de charge est inversement proportionnel Dans notre projet pour obtenir le niveau final de charge de la simulation 55 27 soit un gain de 5 27 le temps n cessaire est divis par les 16 panneaux ce qui donne 1800 secondes La charge compl te avec les 16 panneaux s effectuerait en 4 74 heures dans les conditions de simulations Le courant de charge est n gatif et constant a 3 7 amperes Le courant est directement proportionnel au nombre de panneaux ainsi avec les 16 panneaux le courant serait de 59 2 amperes Finalement la tension aux bornes de la batterie varie legerement entre 25 6 et 25 7 volts S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 47 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 5 2 3 La g n ratrice au diesel L
43. Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page vii PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Liste des tableaux Tableau 2 1 Propri t de la troposphere diff rentes altitudes 7 Tableau 2 2 Unites d chaque parametre ceetsiessususacsabasececsisUeeteutatacenvudodess 8 Tableau 3 1 Avantages et inconv nients des oliennes VV 15 Tableau 3 2 Avantages et inconv nients des panneaux solaires 17 Tableau 3 3 Avantages et inconv nients de la g n ratrice au diesel 18 Tableau 4 1 Indice pour la partie lectrique de la g n ratrice ss 28 Tableau 5 1 R sultat de la simulation pour la turbine de l olienne 35 Tableau 6 1 Table de calcul pour les besoins nerg tiques de la maison 5 T4bleau9 T Baldi conomique sive eive ovi leto to vetet Ped vie tiet V bet isi UU 59 Tableau A 1 R sum des possibilit s de g n ratrice pour l olienne 67 Tableau A 2 Statistiques sur les heures d ensoleillement au Qu bec 71 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page viii PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Liste des abr viations et des symboles Param tres vent Puissance du vent Pei S W__ Puissance d velopp e par la turbine de l olien
44. En appliquant la transform e de Park et en ramenant le tout dans ce nouveau r f rentiel on obtient H I Li Li rl j Bt wd de PON R A EE d Axe q Figure 4 5 Sch ma de la partie lectrique ramen sur l axe q R dh Li L w wh qr e O et I i T I ar Axe d Figure 4 6 Sch ma de la partie lectrique ramen sur l axe d Les quations dans ce r f rentiel deviennent donc d Vis Rsiqs ae Vas Os 4 17 d Vas Rslas dr Vas Glo 4 18 d Var Rrigr Y qr w wr Ua 4 19 d Var Rrlar de Var w gie Ier 4 20 Te 1 5p Waslgs Wastas 4 21 Ou Was ax Lsigs Lmilqr 4 22 Was Lsias Lmiar 4 23 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 24 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON IN ar Lytgr Lmigs 4 24 War Lriar Lintas 4 25 L Lis Lm 4 26 Lettia 4 27 Comme indiqu dans les circuits lectriques ci haut les indices d et q sont toujours li s au flux magn tique De plus le lien entre la partie m canique et lectrique d pend du champ magn tique Ainsi pour la machine asynchrone en prenant la variable i comme variable de r f rence le syst me d quations de la partie lectrique sous forme matricielle dans le r f rentiel de Park devient Vas R WL 0 OL las Vas SOL R OL 0 lds 1 1 1 T V qr Loi ES Wr Lm R r Loi w L r ll ar V r
45. a g n ratrice au diesel est en mesure de fournir la puissance n cessaire la maison et de recharger le banc de batteries en y raccordant un chargeur La simulation illustre ce concept puisqu on alimente une charge de 2000 watts et on recharge un bloc de batteries de 24 volts de notre syst me d accumulation Vu la fiabilit de ce syst me la s curit et la fiabilit du syst me reposent sur cet l ment lors de d faillance des 2 autres syst mes de production et ou lors de la maintenance et ou r paration et ou entretien des composantes comme le banc de batteries Les g n ratrices sont de plus en plus silencieuses et poss dent un co t moyen de production d nergie entre 0 30 et 0 60 par kWh ce qui est quasi l quivalent des panneaux solaires et un peu plus chers que les tarifs d Hydro Qu bec Pour le syst me cet l ment doit tre utilis le moins souvent possible et le dimensionnement des autres composantes s est fait sans prendre en compte cet l ment 5 2 3 1 Simulation 3 La charge de de la batterie et l alimentation avec la g n ratrice au diesel Mee Pourcentage de chargemient 9 Courant en charge A Temps en secondes Figure 5 16 Droite de charge avec la g n ratrice au diesel 1 courbe Le pourcentage de charge de la batterie 2 courbe La tension de la batterie 3 courbe Le courant dans la batterie S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 48 PRO ET
46. arges doivent tre calcul es 25 de leur puissance nominale si elles sont sup rieures 1500 W et si l on pr voit l installation d une cuisini re lectrique Toutefois si l on ne pr voit pas l installation d une cuisini re lectrique ces charges doivent tre calcul es 100 96 de leur puissance nominale jusqu concurrence de 6000 W plus 25 de la charge exc dant 6000 W Ou b 1 100 A si la surface de plancher l exclusion de celle du sous sol est d au moins 80 m ou 2 60 A D x e e roe 2 si la surface de plancher l exclusion de celle du sous sol est inf rieure 80 m S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 50 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 6 3 Calculs de la demande en puissance selon l alin a a du code a Type de batiment Habitation b Type de chauffage Bois TAE Tout l lectricit G amp E Gaz et lectricit TAG Tout au gaz c Superficie existante non r am nag e 0 0 m c 0 0 pi ca d Superficie existante r am nag e 0 0 m c 0 0 pi ca e Superficie nouvelle agrandissement 0 0 m c 0 0 pi ca f Superficie construction neuve 234 0 m c 2518 7 pi ca Superficie totale 234 0 m c 2518 7 pi ca 2 Calcul du branchement principal de l entr e lectrique b Calcul de charge pour la surperficie r am nag e ajout e ou de construction neuve 1 Charge de base section 8 200 1 Habitation
47. ce du vent 1l faut introduire un coefficient de performance dans l quation pr c dente Cpprd V P ot CpPvent Se 8 4 7 Le coefficient de performance d pend de l angle avec lequel le vent frappe les pales et du rapport entre la vitesse des pales et celle du vent S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 20 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 21 0 48 5 e i 0 00684 4 8 116 EE 0 5176 i Avec 1 1 0 035 a 4 9 A A 0 086 1 Ee Coefficient de performance en fonction du ratio de vitesse rotor vent 0 5 Beta 0 0 45 X 8 03 X Y 0 4799 N 0 4 d Beta 5 0 3 B P4 N y K amp 025 S Beta 10 4 N 0 2 Ki E 0 1 5 B S Jf X Y Beta 20 A 0 1 B 7 ES N S S 0 05 see Beta 15 5 10 15 Lambda Figure 4 2 Coefficient de performance en fonction du ratio vitesse rotor vent Dans les simulations l angle d attaque entre le vent et les pales est consid r z ro car l olienne est munie d une girouette Ainsi le coefficient de performance est maximale lorsque l angle est 0 degr s Le couple m canique qui entra nera la g n ratrice peut tre d duit Prot r pV nd r pV m cp r Tm x mVcp 5 1 PMID 2 4 10 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Pag
48. compte la consommation d essence La vitesse du moteur est limit e par une vitesse maximum 244 La puissance maximale que le moteur peut d velopper est la vitesse nominale oa D finissons 0 Q Q 9 et P Q Pmax p La puissance est le produit du couple par la vitesse angulaire L expression du couple est donc Fmax Tmax g 0 ew p w w 4 77 L quation utilis e pour le mod le du moteur est 2 3 p w p1 w p2 w p3 w 4 78 Et doit satisfaire la condition p1 p2 p3 1et p1 2p2 3p3 0 4 79 CHAPITRE 5 R sultats des simulations et discussion 5 1 Simulation des performances de chaque systeme modulaire 5 1 1 Le systeme olien 5 1 1 1 Simulation 1 Le couple g n r en PU en fonction de la vitesse d entr e du vent Donn es caract ristiques l L angle entre le vent et les pales est de 0 degr 2 Vitesse du g n rateur vitesse nominale de celui ci S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 34 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Donn e d entr e l La vitesse du vent en metres par seconde Donn e de sortie l Le couple g n r par l olienne Coreilani H Generator speed pu D Pitch angle deg Tm pu Wind speed m s Corsilani Wand Te bme Figure 5 1 Mod le matlab pour l olienne R sultats Tableau 5 1 R sultat de la simulation pour la turbine de l olienne Vitesse d entr
49. ction Le 2 mode de transfert de chaleur s effectue entre 2 l ments en contact physiquement lorsque ceux ci poss dent une diff rence de temp rature Lorsqu il y a conduction la loi de Fourier permet de quantifier la quantit de chaleur transf r e d un corps l autre La loi dite de Fourier tablie math matiquement par Jean Baptiste Biot en 1804 puis experimentalement par Fourier en 1822 s exprime ainsi dT q KA ou q le flux de chaleur en Watts 2 2 On remarque que la densit de flux de chaleur est proportionnelle au gradient de temp rature et a la surface de l objet La constante de proportionnalit k est nomm e conductivit thermique du mat riau Elle est toujours positive Avec les unit s du syst me international la conductivit thermique k s exprime en J m KI sl ou soit des W m K r f2 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 4 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 2 2 3 Le principe de la radiation Qu est ce que la radiation Le 3 mode de transfert de chaleur est le mode par lequel la chaleur passe d un corps haute temp rature un autre sans aucun contact par l interm diaire de l air ou du vide Le rayonnement thermique est mis continuellement par tous les corps dans toutes les directions et la vitesse de la lumi re dans le vide seulement La relation fondamentale pour la radiation est la loi de Stefan Boltzman de 1879
50. d chappement recueil les gaz la sortie du moteur une pression Pe et un d bit massique In eo dPe re dt y mi Me T eo ES mT 4 72 e I est possible d tablir des relations entre les d bits massiques du syst me l aide du principe de conservation de la masse Collecteur d admission dmg dt My Me Me 4 73 Collecteur d chappement rm Me me me mM 4 74 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 33 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON Le mod le du moteur est d velopp partir du mouvement du vilebrequin Ce modele est fonction de l inertie J du moteur et de sa vitesse w Bien entendu la vitesse du moteur varie en fonction du d bit massique du gaz qui entre dans le moteur me et d un certain rendement ne J vit SS nem Hat Crw 4 75 Le turbocompresseur est la partie qui g re l entr e des fluides ext rieurs et la sortie des fluides int rieurs l entr e les fluides sont comprim s et ils sont d tendus la sortie Ce mod le tient en compte la vitesse i du turbocompresseur et sont inertie le Encore une fois le d bit massique et le rendement ont une influence la vitesse du turbocompresseur doc 1 dt ok Dans les simulations qui sont effectu es seul le mod le du vilebrequin est utile car le mod le Ve t Vem 1 mmt CpeTe E m ns n MeCpalo Ge 1 Ne 4 76 C utilis ne tient pas en
51. de transfert de chaleur 62 Annexe 2 Sch ma d une tour de refroidissement de centrale thermique 64 Annexe 3 Repr sentation du prototvpe nne nen enne nnns 65 Annexe 4 Comparaison du prototype avec la maison type 66 Annexe 5 R sum des possibilit s de g n ratrice sssssssssssssssenee 67 Annexe 6 Description des l ments de r gulation et de contr le du syst me 68 L convertisseur AC DC ehre SE tea EE enero qu teste Oves com E 68 I es battebies Ee eer GE 68 Ree tan DCAC EE 69 Le convertisseur DODO le Eeer 70 Annexe 7 Donn es d ensoleillement au Qu bec 000 0 ee eeecc cece cesesseeeccceeeeeeeeeeeeeeeceeeeeaas 71 EE ee 12 Circuit du bloc du hacheur r gulateur de tension cc eeeeeesessseeeeeeeeeceeeeeeeeeeeeeaaaas 72 Circuit Eeer 73 Annexe 9 Exemple de script Matlab pour la simulation des panneaux solaires 74 Annexe 10 Circuit Simulink de chargement pour tout les syst mes olien solaire diesel T E aaa 75 Annexe 11 Caract ristique du panneau solaire pour la mod lisation et l tude de l influence des diff rents param tres eeeeesessssssssesseseeeeeeeeeeeeeennnn nennen nennen IT Annexe 12 Sp cification pour la g n ratrice s lectionn e eeessssssesesss 80 Annexe 13 Circuit d 1mplantatlOria E 84 S bastien Poulin
52. dement pour les panneaux solaires 57 Figure 7 3 Synoptique de raccordement pour la g n ratrice cece cece eee eeeeseeeeeeeeeees 58 Figure Ace Exemple de RE e E 62 Figure A 2 Exemple de convection et de conduction thermique 62 Figure A 3 EXCMIple de TAC E e BEE 63 Figure ATOUT Tem Om EEN 64 Foure AS Schema du prototype E 65 Figure A 6 Comparaison du prototype avec les dimensions d une maison type 66 Figure A 7 Principe de fonctionnement d un redresseur 68 Figure A 8 Principe de fonctionnement de l onduleur UV 69 Figure A 9 Principe de fonctionnement d un hacheur snnnnnnnnneneeeeseesssosoosseeeeeeeessssesese 70 Figure A 10 Cartographie de l intensit de Tensolellement 71 Figure A 11 Circuit Matlab du hacheur r gulateur de tension cecececeeeeeeeeeeeeeeeeees 72 Pigure AT Circuit Matlab de Fomduleut 2 oeste etui a Rs teen 73 Figure A 13 Circuit Matlab de charge pour P olienne 00000nnnnnneneeneeesessssssssssssesserreeese 75 Figure A 14 Circuit Matlab de charge pour un panneau solaire 76 Figure A 15 Circuit de charge et d alimentation Matlab pour la g n ratrice au diesel 76 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page xii PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON CHAPITRE 1 Pr sentation du projet 1 1 Introduction L entreprise pour laquelle le
53. e 21 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Vitesse du went m s Verse du went pu bare vant eviter la divisio par zero Vitesse de la turbine pu Tm pu Produit lambda nom pu spu viter la division par z ro Figure 4 3 Sch ma bloc de la turbine de l olienne Ce bloc repr sente bien les quations 4 1 4 10 Les param tres en entr es sont la vitesse du vent la vitesse de la turbine et l angle entre le vent et les pales Le parametre de sortie est le couple m canique de la turbine La vitesse du vent est divis e en deux parties l entr e la partie du haut est lever la puissance 3 dans le but de calculer la puissance brute du vent tandis que la partie du bas sert calculer le param tre A qui est le rapport entre la vitesse du vent et la vitesse des pales de l olienne Avec ce rapport et l angle entre le vent et les p les le param tre peut tre trouv Celui ci servira ensuite pour le calcul du coefficient de performance Avec ce coefficient la puissance de la turbine est trouv e en multipliant Cp par la puissance du vent trouv pr c demment Ensuite le couple est trouv en divisant la puissance de la turbine par la vitesse de la turbine 4 2 1 Alternateur de l olienne G n ratrice asynchrone machine asynchrone Le bloc d op ration repr sentant la machine asynchrone peut fonctionner en deux modes Le mode de fonctionnement est d
54. e base de la plupart des quipements de production d nergie solaire Les 2 types de panneaux pourraient tre utilis s dans le cadre de notre projet mais l utilisation mod le des panneaux photovolta ques va tre privil gi e 3 2 2 Fonctionnement des panneaux solaires photovolta ques Les panneaux solaires photovolta ques transforment la lumi re en lectricit Ces panneaux sont donc les plus r pandus mais aussi les plus complexes Ils sont tout simplement un assemblage de cellules photovolta ques chacune d elles d livrant une tension Elles sont assembl es pour cr er des modules photovolta ques de tension normalis e comme 12V La puissance produite d pend de l intensit de l ensoleillement et des caract ristiques du panneau Un relev cartographique pour l intensit lumineuse au Qu bec au mois de Juin et la dur e d ensoleillement sont fournis l annexe 7 Modules de cellules Electricit Figure 3 2 Fonctionnement des panneaux solaires photovoltaiques S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 16 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Avantages et inconv nients Tableau 3 2 Avantages et inconv nients des panneaux solaires AVANTAGES INCONVENIENTS Energie verte D pendance aux conditions m t orologiques Ressource renouvelable et Stockage dans des batteries in puisable Investissement consid rable Potentiel nerg tique
55. e d un lectron Calcule du courant compte tenu de la tension l clairage et la temp rature Q o9 oe ll H Oo Tension par cellule la temp rature Tl T1 273 25 Temp rature en Kelvins Voc T1 21 06 Ns tension en circuit ouvert Isc T1 3 80 tension de court circuit Tension par cellule la temp rature T2 T22 273 75 Temp rature en Kelvins Voc T2 17 05 Ns ZS tension en circuit ouvert Jee T2 3 92 tension de court circuxt Tak 273 TaC Stemp rature de la matrice r el KO Isc_T2 Isc_Tl T2 T1 ll Tie kee TIl S5uns courant IL IL T1 K0 TaK T1 courant IO Ti1 Isco Tl1 exp q Voc T1 n k T1 1 courant rIOSIO TI TS3R TI1 57 mn exp q Vg n k o Il 4ITaR 1 T1 courant Xy IO TITq in k STi vexpi og VoO Tl n k 5T1 34 dVdI Voc 1 15 Ns Rs dVdI Voc 1 Xv r sistance s rie par cellule Vt Ta n k TaK q Vc Va Ns Ia zeros size Vc for j 1 5 trouver le courant et la tension produisant la puissance maximale Ta Ia IL Ia I0 exp VctIa Rs Vt_Ta 1 1 I10 Rs exp VctIa Rs Vt_Ta Vt_Ta end hold on plot Va Ia Va r graphique de la puissance S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 74 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Annexe 10 Circuit Simulink de chargement pour tout les syst mes olien solaire diesel Rotor speed
56. e est raccord e un redresseur et un hacheur pour transformer la tension produite la tension n cessaire pour recharger les batteries ou effectuer l lectrolyse cellule hydrog ne Ensuite on raccorde le banc de batteries ou la cellule hydrog ne un onduleur qui va transformer la tension continue en tension alternative d sir e Une description du fonctionnement d un convertisseur d une batterie et de l onduleur l annexe 6 3 2 Les panneaux solaires 3 2 1 Introduction Un panneau solaire r cup re le rayonnement solaire pour le convertir en nergie lectrique Il existe essentiellement deux types de panneaux solaires e les panneaux solaires thermiques appel s capteurs solaires qui convertissent la lumi re en chaleur e les panneaux solaires photovoltaiques appel s modules photovoltaiques qui convertissent la lumi re en lectricit Dans les deux cas les panneaux sont habituellement plats avec une longueur et une largeur de quelques m tres ils sont dimensionn s pour faciliter leur installation et leur prix d pend des caract ristiques d sir es et du type d application soit domestique ou industrielle Les panneaux solaires S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 15 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON thermiques sont actuellement plus viables conomiquement que les modules photovolta ques Les panneaux solaires sont les composants d
57. e nombre de panneaux solaires et prendre une olienne de taille moins importante pour sauver sur la facture d lectricit et rentabiliser le syst me sur un d lai raisonnable Dans l ventualit de l installation du syst me une analyse m t orologique des vents et de l ensoleillement devrait tre faite pour s assurer du potentiel nerg tique de l environnement et pour mieux dimensionner les composantes S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 60 PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON R f rences LIVRES l NASR Philippe La gestion de projet 7 dition Les Editions de la Cheneli re inc 2006 2 P INCROPERA Franck Fundamental of heat and mass transfert 6e dition US A dition Wiley 2007 WAMKEUE Ren lectronique industrielle notes de cours notes personnelles Rouyn Noranda 2009 WAMKEUE Ren Production d nergie lectrique notes de cours notes personnelles Rouyn Noranda 2009 WAMKEUE Ren lectrotechniques notes de cours notes personnelles Rouyn Noranda 2009 C KRAUSE PAUL Analysis of electric machinery 2e dition Institute of Electrical amp Electronics Enginee 2007 7 OMRAN Rabih Mod lisation du Moteur Diesel Th se de doctorat 8 Code lectrique du b timent 2007 SITE INTERNET 9 Entreprise Bventilation corp site internet de l entreprise http www bventilation com Consult 10 11
58. ed lute ail EAE15 WA API CF 4 Radiator system capacity including engine L gal HA Oll pan capacity with Ser L qt NA Engine jacket water Bow Limin enge 3480 Oil fer quantity type 1 cartridge Haai rejected fo cooling walter at rated kW dry Dil caler Mare exhaust IAN Etutnin 10 4 55 8 Mairim cil temperatum CF 120 248 vr pop epe SSES Ventilation and Air Flow Requirements AN Requirements 60 Hz Radiator coded caging air min fxm HA Fan Km HIP 0 6 0 8 Air dereit kgim iba 120 0 075 Max mention of coding sir intake and dicharge SR s side of radiator Pa in HOH Heat pected t exhaust KW ou min 1814 1031 8 Heat mdai to surreunding air Engine KW tu 284 181 5 dBA LEVEL SOUND ATTENUATED ENCLOSED 60 dBA 23 feet Combustion sir mein cdm 133 gaa Dimensions and Weights Creil ge L x W x H rmm Gime 1 450 x EU x 1 280 Oeral size Lx W x H mm ire 1 475 x ThO x 1 110 57 1x 24 4 x 50 4 581x205x437 Weight radiation mounted model kg Ib 387 53 Weight mdiator mounied model wet kg fb 668 1 468 Fuel Tank Capacity L US qai 85 17 Fuel Tank Capacity L LIS gal 23 8 1 NOTE The drawings above am only mpremeniadive of the overall dimensions RATIS i ia renina dur iar be cc coe oe ae eegen H EE Neh la posuer Thak rang 5 aaa see EE iam caleba wish Prime Power Fonti pem m assume no cor unndiable E For ee valable for amy 1 Ba 12 hour Fa mang period Faire
59. entretien presque difficile en r gion loign e inexistant Transportable Polyvalent 3 3 3 Principe de raccordement au syst me La g n ratrice fournit directement la tension alternative au syst me sans le biais d aucun convertisseur Son raccordement se fait l aide d une By passSwitch Lors de son utilisation l nergie produite va permettre de recharger les batteries du syst me l aide d un chargeur et voir la satisfaction des besoins nerg tiques de la maison S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 18 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON CHAPITRE 4 Mod lisation des sous syst mes de la centrale modulaire OLIENNE PANNEAU SOLAIRE EM e SS Convertisseur m i amd DC DC ub G N RATRICE AU DIESEL Convertisseur e AC DC R gulateur _ de tension Branche pour entretien seulement CHARGE Figure 4 1 Synoptique complet du syst me de production olien solaire diesel Batterie Convertisseur DC AC 4 1 Description du fonctionnement id al dans le cadre de notre mandat Pour notre mandat le fonctionnement id al du syst me est assez simple Il faut r ussir alimenter la maison avec seulement l olienne et les panneaux solaires Dans les conditions id ales la g n ratrice doit seulement servir lors de situations tr s particuli res et ou lorsqu on effectue des travaux de maintenance sur le syst me
60. f exposure to a solar ege Standard Test Conditions STC which are 0 Bas itu illumination of 1 kW m 1 sun at spectral distribution of AM 1 5 85 C and 85 relative humidity bei ed ea a hot spot test which determines a module s ability to tol Operating characteristics in sunlight may differ slightly To determine the erate localized shadowing which can cause reverse biased arar iraan sai e eee ie Klee ben ze operation and localized heating unchanged l 2 Under most climatic conditions the cells in a module operate hotter than simulated wind loading of 125 mph 200 kph the ambient temperature NOCT Nominal Operating Cell Temperature is an indicator of this temperature differential and is the cell temperature under Standard GE Conditions ambient temperature of 20 C solar Mechanical Characteristics irradiation of 0 8 KW m and wind speed of 1 m s Weight 15 9 pounds 7 2 kg Dimensions Dimensions in brackets are in millimeters MSX 60 I V Characteristics Unbracketed dimensions are in inches Overall tolerances 1 8 3mm 19 75 GC 7 E Ss 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Voltage V m MSX 64 I V Characteristics be 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Voltage V 0 10 2 5 el E Qus ee Se reina Download MSX 60 I V XLS PROJECTION KS 9 PLCS a Download MSX 64 I V XLS la 1 06 26 9 SECTION X X GROUNDING DETAIL Download CAD S bastien Poulin Dessureault J r
61. ict par le signe du couple m canique Si celui ci est positif la machine se comporte comme un moteur et s il est n gatif elle se comporte comme une g n ratrice La partie lectrique de la machine est mise en quation ainsi que la partie m canique S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 22 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 4 2 1 1 Partie lectrique y P amp m ZZ HT F X ore a i Top amp ou l L ME dde uh oS 4800 gt el Je wis C d i LA d p d di V f l cal d d H A A P H d l e bk NET E S j Figure 4 4 Sch matisation des diff rents enroulements d une machine asynchrone simple cage d cureuil En assumant que la machine asynchrone pr sente une isotropie on peut dire que Les inductances propres sont constantes Les inductances mutuelles rotor rotor et stator stator sont constantes Les inductances mutuelles seulement rotor stator d pendent de l angle En utilisant la loi d Ohm g n ralis e aux bornes des enroulements du stator et du rotor les quations des tensions deviennent Pour le stator Pa Ra ia 28 4 11 Up Ra iy Tep 4 12 Pour le rotor 0 Ra wig OA 4 14 0 R ip ee 4 15 0 R ic e 4 16 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 23 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON
62. ilisable par les appareils existants dans la maison de fa on quotidienne Le processus de conversion entra ne une perte d nergie Par cons quent 1l convient de choisir un onduleur ayant une faible perte d nergie Le sch ma lectrique utilis dans les simulations est fourni l annexe 8 Le principe de fonctionnement de l onduleur est donn la figure ci dessous entr e sortie ej 0 e t i t o 0 e t i t convertisseur de puissance Onduleur Figure A 8 Principe de fonctionnement de l onduleur S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 69 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Le convertisseur DC DC le hacheur Les convertisseurs continu continu permettent de transformer une nergie continue signal de valeur moyenne donn e en une nergie continue de valeur diff rente de celle de l entr e Ce type de convertisseur est appel le hacheur La structure g n rale de ce type de convertisseur est donn e a la figure A 9 Le hacheur est en continu ce qu est le transformateur en alternatif On distingue des hacheurs dits abaisseurs ou d volteurs lorsque la valeur moyenne de la tension de sortie est plus petite que la tension d entr e les hacheurs l vateurs ou survolteurs lorsque la tension de sortie est plus lev e que la tension d entr e et les hacheurs inverseurs qui produisent des tensions de sortie de valeur moyenne oppos e
63. ion continue rotation d un pour maximiser la anemometre puissance Probl me de produite r gulation S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 67 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Annexe 6 Description des l ments de r gulation et de contr le du syst me Le convertisseur AC DC le redresseur Dans ce type de conversion l nergie sous forme alternative couramment sinusoidale est transform e sous forme continue redresser variable ou constante Ce type de convertisseur est appel redresseur Sa structure est donn e la figure ci dessous Il est appel redresseur non commande s il fournit un signal de sortie de valeur moyenne constante non variable Il est appel redresseur command s il produit un signal de sortie de valeur moyenne variable Les redresseurs non command s sont con us l aide des diodes de puissances ou diodes rapides et les redresseurs command s l aide des thyristors rapides L utilisation de ce composant dans notre projet va permettre de transformer la tension alternative produite par l olienne pour charger la batterie avec une tension continue Le sch ma lectrique du redresseur dans les simulations est repr sent par un pont de diode Pour plus d information se r f rer aux notes de cours d lectronique industriel de Ren Wamkeue entr e sortie o 0 o 0 e t i 1 convertisseur de puissance Redre sseur Figure
64. lev Pollution visuelle Rentable Rendement presque nul en hiver a moins Entretien relativement facile d tre continuellement d neig s Aucune mission de gaz effet de serre Une description du hacheur est fournie l annexe 6 3 3 La g n ratrice au diesel 3 3 1 Introduction Lorsque les demandes en nergie sont trop importantes lorsque le syst me est en maintenance ou en r paration une g n ratrice devient tr s importante pour r pondre au besoin nerg tique pendant ce temps Cet quipement est donc un l ment important du syst me La g n ratrice est un l ment s curitaire et facile d utilisation avec un rendement lev De plus il est possible de r cup rer un maximum de puissance lors de son fonctionnement en rechargeant les batteries ou en cr ant de l hydrog ne Par contre au point de vue de l environnement la g n ratrice est viter Pour cette raison il faut optimiser l utilisation des ressources renouvelables avec l aide d olienne de panneau solaire et tout autre syst me de production d nergie verte 3 3 2 Fonctionnement Le principe de fonctionnement d une g n ratrice combustion est plut t simple il y a un moteur thermique fonctionnant au diesel ou au gaz qui fait tourner un alternateur qui cr e un courant lectrique alternatif Il y a des disjoncteurs prot geant le syst me d une surcharge ou de l arr t en charge lors d puisement de carburant
65. lle ci ne sont pas ajust s pour recevoir la tension non r gul e la sortie de l olienne La puissance lev e au d marrage r sulte de l instabilit du syst me lors de l amor age S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 36 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 5 1 1 3 Simulation 3 La vitesse de rotation de la g n ratrice asynchrone entrain e par l olienne Vitesse rad s Temps en secondes Figure 5 3 La vitesse de rotation de la g n ratrice en fonction du temps La vitesse de rotation de la g n ratrice synchrone maximale est 160 rad s et devient ensuite constante 71 7 rad s en r gime permanent Le temps d amor age est de 2 secondes avant d atteindre le r gime permanent 5 1 1 4 Simulation 3 La tension produite par la g n ratrice asynchrone entrain e par l olienne Tension volts ien Temps en secondes Figure 5 4 La tension fournit par l olienne en fonction du temps S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 37 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON La tension la charge est alternative entre 117 8 Au d marrage la tension est nulle car le flux magn tique est pratiquement gal z ro Grace au banc de condensateur un l ger flux remanent permet d induire une faible tension et cette tension aura pour effet d augmenter la quantit de flux magn tique qui son
66. mps en secondes Figure 5 12 Le courant fournit par la g n ratrice en fonction du temps La g n ratrice donne une onde alternative pour la tension et un courant alternatif l aide d un syst me de r gulation et de contr le d j implant dans l ensemble des g n ratrices Ce mod le ne S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 44 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON pourrait pas tre directement branch sur le panneau lectrique des la maison car il est triphas Par contre il nous permet de comprendre le comportement de la g n ratrice qui est pratiquement le m me en monophas De plus la g n ratrice adapte sa vitesse de rotation en fonction de la demande elle ne tourne jamais pour rien Une g n ratrice est ainsi une source d une grande fiabilit qui se r gule en fonction de la charge alimenter en temps r el 5 2 Simulation du temps de charges pour le banc de batteries de chaque syst me Caract ristique du banc de batteries 24 batteries de 6 volts et 582 Ah Le banc de batteries est connect en parall le en 6 blocs de 24 volts 144 volts totaux Le branchement des diff rents blocks SIMULINK lors du chargement est montr l annexe 10 Pour r duire le temps de simulation on va simuler le chargement d un des 6 blocs de 24 volts seulement Cela va permettre d observer l influence des diff rents param tres et caract ristiques du
67. n en nergie verte La combinaison de ces syst mes va nous permettre de satisfaire les besoins nerg tiques de la maison type qu b coise d crite dans le chapitre 6 3 1 Les oliennes 3 1 1 Introduction Plusieurs groupes de recherches et m me plusieurs parcs d oliennes sont d j en place un peu partout dans le monde Au Qu bec par exemple le Nordais un parc olien implant en Gasp sie et dans la municipalit r gionale de comt MRC de Matane poss de 133 oliennes pour une capacit install e totale de 100 m gawatts Les oliennes sont actuellement un mode de production d nergie en plein essor ou la recherche et le d veloppement ne cessent de croitre Les principales composantes d une olienne sont pr sent es ci dessous S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 12 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON BE Pales de l h lice motor L M ultiplikcete ur Axe de l alternateur Alternateur Figure 3 1 Sch ma d une olienne La tendance actuelle est la construction d oliennes de taille moyenne regroup es en un m me lieu Une olienne de taille moyenne comporte en g n ral une h lice trois pales reli e un rotor L ensemble mesure environ 30 metres de diam tre Les pales s orientent en direction du vent Le rotor est reli un multiplicateur qui est un syst me d engrenages augmentant la vitesse de rotation L al
68. nce des diff rents param tres MSX 60 and MSX 64 Photovoltaic Modules The MSX 64 and 60 are among the most powerful of Solarex s Megamodule series a product line which is the culmination of nearly three decades of extensive research in polycrystalline silicon photovoltaics With over 3 amperes of current at peak power these modules offer the most cost effective package in the industry and charge batteries effi ciently in virtually any climate These modules may be used in single module arrays or deployed in multiple module arrays wired in series parallel combinations as required to meet current and voltage requirements They are engineered under Solarex s IntegraSystem system integration concept which ensures full compatibility with other Solarex subsystems and components support hardware regula tors etc and easy system assembly As single module arrays they may be mounted on a vari ety of surfaces using optional kits or by means of user fabricated support hardware Solarex also offers hardware for supporting multiple module arrays These modules are well suited for virtually all applications where photovoltaics are a feasible energy source including telecommunications systems pumping and irrigation cathodic protection remote villages and clinics and aids to navigation Individually Tested Labeled and Warranted As part of the final inspection procedure every MSX module is tested in a solar simu lato
69. ne P kgm Masse volumique de Pair O Z O Z O A m Surface couverte par les p les de l olienne D m Diam tre couvert par les p les O Z O O B Angle entre le vent et le p les 1 SE ees la phase A statorique en statorique en rotorique en VA sp Web a TN nn O Rs Lis R sistance et inductance de fuite du stator RL LH R sistance et inductance de fuite du rotor ta f Inductance de magntstion LaL Q _ Tnductanos total du rotor et du stator _ _ S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page ix PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Liste des abr viations et des symboles suite Param tres D finition Rad Position angulaire du rotor aucune Nombre de paire de p les Rad s Vitesse angulaire lectrique Rad Position angulaire lectrique Nm Couple lectromagn tique Nm Couple m canique sur l arbre du rotor m kg Inertie totale du rotor poids et moment d inertie m kg Constante d inertie totale Force visqueuse de frottement total du au poids et la rotation Courant de sortie Courant photovoltaique Courant de saturation de la diode Courant de court circuit Courant maximal Tension en circuit ouvert Tension maximale Charge l mentaire d un lectron 1 60 10 7 Temp rature de la matrice de cellule Temperature Temperature 2 Temperature nominale de fonctionnement Constante de proportio
70. ne olienne entrainant une g n ratrice synchrone aimants permanents couplage direct La turbine de cette olienne est aimant permanent Sa g n ratrice est sans boite de vitesse ce qui implique qu on doit redresser et onduler la tension pour pouvoir relier l installation au r seau lectrique Un tableau r sum des possibilit s de g n ratrice se trouve l annexe 5 Dans notre projet on va consid rer seulement l olienne entrainant une g n ratrice asynchrone re H r A S vitesse variable Cette d cision s appuie sur le fait que nous ne sommes pas oblig s de contr ler la vitesse du vent et que le co t est moins important S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 14 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Avantages et inconv nients Tableau 3 1 Avantages et inconv nients des oliennes AVANTAGES INCONV NIENTS Energie verte Probl me de r gulation constance de Ressource renouvelable production Potentiel nerg tique lev D pendance aux conditions m t orologiques Rentable Stockage dans des batteries Entretien relativement facile Investissement consid rable Aucune mission de gaz effet Pollution visuelle et auditive de serre Dur e de vie limit e Les oliennes sont une source d nergie verte repr sentant un immense potentiel pour notre projet 3 1 3 Principe de raccordement au syst me L olienn
71. ne type Cylinder amangement EPA Certification Dispiscerment L eu in Bere and sime mm in Compression rata Paie speed momie amp min Main h adngs garg type Rated rpm Max power at rated men Ken BH EMEP gross pei Bar Ces all herma efficiency Exhaust Gas Flow m min cn Exhaust gas temperature C F Frequency egiatan na asd i Sul Gema Type Make Sandan Frequency mauiaton steady state Frequency Air clesiner type ATHV 4 cycle Naturally seepina ted 3 in ine TIER 4 1 64 100 BBx 90 348 x 354 18 1 1 324 1063 4 replace ines 1 800 18 8 22 7 35 6 88 34 456 4 70 166 590 1094 EK Mechanical Yanmar Remote Radiator System Fuel Consumption 60 Hz Exhauet mano type Connection sizes Waterfnbt ID hose mm ih Water outlet ID hase mm fini Charge sir cooling CAC Water iniet ID hose mm in Wisterautlst ID haee mm n Static head allowable above engine RHO kPa Maeirnum CAC esiisa HAO in Not Available Diesel gal hr Uhr Standby Rating 1 28 4 8 1 03 3 8 0 77 2 8 0 45 1 7 1 18 4 5 0 94 3 6 0 71 2 7 0 41 1 8 S bastien Poulin Dessureault HIVER 2010 J r mie B dard Page 81 PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Application Data Ambient emperau C F Full pessa Engine jacket water capacity L gal 2 0 0 52 Oil pan capacity L oi 87 7 1 Recommend
72. nnalit R sistance s rie des cellules Intensit lumineuse ambiante Surface du panneau Le nombre de Boltzman 1 38 10 Facteur de qualit Puissance maximale Puissance minimale Le facteur de remplissage fill factor Variation de vitesse par rapport la vitesse nominale Facteur d amortissement Vitesse angulaire du rotor Vitesse nominale d op ration m max CO Max V C S SS S Aucune T nom kW m J K aucune W W Aucune Aucune Aucune Rad s Rad s FF o Kd c t Gei oil S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page x PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Liste des figures Figure 2 1 CeHule d Con Veco 5 999 nn ana 00 0048 dt D D Min 3 Figure 2 2 Pression en fonction de l altitude 7 Figure 2 3 Temperature en fonction de l altitude 8 Figure 3 1 Schema d une collen Cernir naa doo vine te qo qe ei mu exa dt 13 Figure 3 2 Fonctionnement des panneaux solaires photovoltaiques 16 Figure 4 1 Synoptique complet du syst me de production olien solaire diesel 19 Figure 4 2 Coefficient de performance en fonction du ratio vitesse rotor vent 21 Figure 4 3 Sch ma bloc de la turbine de l olienne sss 22 Figure 4 4 Schematisation des diff rents enroulements d une machine asynchrone SEENEN
73. nsions sont tr s grandes tant donn la faisabilit r duite d une telle conception les technologies existantes telles les oliennes les panneaux solaires et les g n ratrices utilisant l nergie fossile comme combustible sont tudi s l aide de simulations avec le logiciel MATLAB et des th ories fournies dans diff rents ouvrages de r f rences L tude a fait ressortir un syst me d alimentation qui utilise en tandem une olienne des panneaux solaires et une g n ratrice au diesel en cas de besoin L analyse de consommation lectrique de la maison type a permis de dimensionner les param tres du syst me Le syst me est donc constitu d une olienne pouvant fournir SKW avec un vent ayant une vitesse de 12 m s de 16 panneaux solaires qui fournissent chacun 175 W lors de journ e ensoleill e et d une g n ratrice au diesel qui peut fournir jusqu 12 5 KW en cas de besoin Un syst me de stockage d nergie constitu de 24 batteries est galement pr vu pour augmenter la fiabilit et l autonomie du syst me Un sch ma lectrique complet de r alisation prenant en compte le dimensionnement le choix et le co t des composants du syst me est propos dans ce travail S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page ii PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Abstract This report presents in a logical sequence of steps of the approaches used for the project through the Bachelor
74. nt repr sentatives du milieu dans lequel serait install un tel prototype Une comparaison entre les dimensions de la maison type d crite au chapitre 6 et la tour de conception est fournie l annexe 4 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 11 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 2 2 3 Recommandation et conclusion Pour terminer il est important de mentionner que ce genre d installation est possible et pourrait faire l objet d tude plus approfondie mais avec les r sultats obtenus dans les calculs plus haut on peut facilement se rendre compte que les dimensions de la tour sont beaucoup trop grandes pour la puissance qu elle produit Une analyse conomique du probl me d montrerait clairement qu il n est pas actuellement rentable de r aliser le projet tant donn l norme quantit de mat riaux requis pour construire la tour Le projet explorera donc une autre avenue pour arriver produire de l lectricit de facon autonome Les oliennes et les panneaux solaires bien qu ils ne produisent pas une puissance lectrique constante restent des solutions explorer tant donn leur co t abordable et leur rendement consid rable par rapport la tour de convection CHAPITRE 3 Les syst mes de production d nergie modulaires olien solaire et diesel Cette partie d crit l ensemble des syst mes pouvant servir d alternative pour l alimentation autonome d une maiso
75. o be made right in the J box The box also can accommodate bypass or blocking diodes or a small regulator which can save the expense and labor of additional boxes The box is raintight IP54 rated and accepts 1 2 nominal or PG13 5 conduit or cable fittings The standard terminals accept wire as large as AWG 10 6mm an optional terminal block accepts wire up to AWG 4 25mm Proven Materials and Construction Megamodule materials reflect Solarex s quarter century of experience with solar modules and sys tems installed in virtually every climate on Earth Polycrystalline silicon solar cells efficient attractive stable Modules are rugged and weatherproof cell strings are laminated between sheets of ethylene vinyl acetate EVA and tempered glass with a durable Tedlar backsheet Tempered glass superstrate is highly light transmissive low iron content stable and impact resistant Corrosion resistant bronze anodized extruded alu minum frame is strong attractive compatible with Solarex mounting hardware and most other mount ing structures Options Blocking and bypass diodes Solarstate charge regulator Protective aluminum backplate 630 Solarex Court Frederick MD 21703 USA PHONE 301 698 4200 FAX 301 698 4201 www solarex com info solarex com S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 77 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE M
76. one entrain e iral sed TIS STE TL Tn 35 5 1 1 3 Simulation 3 La vitesse de rotation de la g n ratrice asynchrone entrain e par T Colle EE 37 5 1 1 4 Simulation 3 La tension produite par la g n ratrice asynchrone entrain e SEENEN 37 5 1 1 5 Simulation 4 Le courant produit par la g n ratrice asynchrone entrain e par WFC ONC MING sere csces es 38 S L2 EE Ee rt 38 5 1 2 1 Simulation 1 Observation de l influence de la temp rature sur la tension et ee 39 5 1 2 2 Simulation 2 Observation de l influence de la temp rature sur la puissance EIERE 40 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page v PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 5 1 2 3 Simulation 3 Observation de l influence du facteur de qualit sur le courant EI E 41 5 1 2 4 Simulation 4 Observation de l influence de l intensit de l ensoleillement sur le couranbtet Taxes ION ac 22222 D Lion nm ds EE oa E Tuo URo Eta dovete dete saca us 42 5 1 2 5 Simulation 5 Observation de l influence de l intensit de l ensoleillement sur la TENSION et la DUISSANCE E 43 Deo Way peneratrice au diesel ee 43 5 1 3 1 Simulation 1 la tension et le courant g n r avec la vitesse nominale du JE CO EE LM SOUL T 43 5 2 Simulation du temps de charges pour le banc de batteries de chaque syst me 45 De I Lesysteme d KE 45 5 2 1 1 Simulation 1 La charge de la batterie avec
77. p rature constante V intensit temp rature temps constante 4 45 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 27 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON Le rendement maximum Prax E ImaxVmax 4 46 P AG Facteur de remplissage 4 47 Es Figure 4 9 Sch ma bloc du panneau solaire Es Ensoleillement T Temperature a la jonction des cellules I et V le courant et la tension g n r s 4 4 La g n ratrice au diesel La g n ratrice au di sel est consid r e comme un couplage entre un moteur di sel et une g n ratrice synchrone 4 4 1 Alternateur de la g n ratrice au diesel machine synchrone Tout comme la machine asynchrone la g n ratrice synchrone peut fonctionner en mode g n ratrice et moteur Le mode d op ration est d termin par le signe de la puissance m canique positif pour le fonctionnement en mode g n ratrice et n gatif pour le fonctionnement en mode moteur La partie lectrique est repr sent e par un syst me d ordre 6 et la partie m canique par un syst me d ordre 2 Les indices qui seront utilis s sont d finis comme suit Tableau 4 1 Indice pour la partie lectrique de la g n ratrice Quantit li e au stator Magnetisation S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 28 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON 4 4 1 1 Partie lectrique Axe
78. projet est r alis se sp cialise dans la distribution des ventilateurs Dans le but de toujours innover et pour faire fructifier les profits le propri taire de l entreprise a eu l id e de rendre ses ventilateurs r versibles pour produire de l nergie partir des courants d air Suivant cette ligne de pens e nous avons t mandates par l entreprise pour cr er un courant d air qui peut faire fonctionner une g n ratrice domestique Le probl me c est que ce courant d air doit tre constant pour pouvoir assurer le bon fonctionnement de la g n ratrice Cette contrainte est la difficult de son 1d e En fait le besoin principal derri re l id e est de fournir l nergie lectrique n cessaire pour une maison type La solution propos e est l implantation d un syst me produisant de l nergie partir de l environnement soit de l nergie verte En se basant sur l id e de cr er un courant d air il est possible de tout simplement extraire l nergie naturelle du vent gr ce une olienne la place de le cr er Pour r pondre la demande nerg tique d une maison de facon autonome et le plus vert possible on propose dans ce rapport l implantation d un syst me hybride d nergie comprenant une olienne des panneaux solaires et une g n ratrice au diesel Pour ce faire l tude de la combinaison d un syst me comportant une olienne des panneaux solaires et une g n ratrice au diesel en cas d urgence est r
79. qui s crit comme suit q oAT 2 3 Ou o constante universelle 5 66697 x 1078 Wm K L quation exprime que le flux d nergie radiante mis par une surface id ale appel e corps noirs est proportionnel l aire de la surface et la quatri me puissance de la temp rature absolue de la surface r f 2 Des exemples pour les 3 modes de transfert de chaleur sont fournit l annexe 1 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 5 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON 2 2 Analyse dimensionnelle d une tour convection Cette section du chapitre a pour objectif de dimensionner un prototype pour fournir l nergie n cessaire une maison l aide d une tour convection naturelle Cette tour utilise la diff rence de temp rature selon l altitude pour cr er un mouvement d air constant 2 2 1 Description du prototype Un des probl mes majeurs rencontr s dans la production d nergie autonome c est l irr gularit des sources d nergie utilis e L id e pour contrer cet inconvenient serait de produire un courant d air constant Le principe de base utilis e pour cr er ce courant d air est la convection Ce document explique les d tails d un concept pouvant produire un courant d air constant et en fait l analyse Le concept est bas sur les tours de refroidissement utilis es dans les centrales thermiques Un sch ma d une tour de refroidissemen
80. r Celsius Ces r sultats sont encourageants quand on sait que la temp rature moyenne dans le Nord du Qu bec est pr s de z ro degr Celsius 5 1 2 3 Simulation 3 Observation de l influence du facteur de qualit sur le courant produit Les donn es caract ristiques et d entr es sont les m me que la 1 simulation sauf le facteur de qualit est variable Donn e de sortie la tension et le courant R sultat de la simulation Graphique 1 Le courant et la tension du panneau solaire en fonction du facteur de qualit La tension produit en fonction du facteur de qualit et du courant du module avec une intensit de 1000w m2 25 nA ne1 25 51 50 20 2 15 O O E D O 6 9 10 cC O T 5 0 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Courant A Figure 5 8 Le courant et la tension du panneau solaire en fonction du facteur de qualit S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 41 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Explication Le facteur de qualit varie en fonction du type de panneau et des mat riaux le constituant Ce facteur est d termin par le fabricant et influence le rendement du syst me de fa on non drastique Les r sultats montrent que plus le facteur se rapproche de 1 plus la puissance est importante 5 1 2 4 Simulation 4 Observation de l influence de l intensit de l ensoleillement
81. r and labeled with its actual output volt age current and power at maximum power point Pmax at Standard Test Conditions and Standard Operating Conditions Furthermore the MSX 64 and 60 are covered by our industry leading limited warranty which guarantees that no module will generate less than its guaranteed mini mum P max when purchased at least 80 of the guaranteed minimum P max for twenty years Contact Solarex s Marketing Department for full terms and limi tations of this unparalleled warranty Reliable and Versatile The Megamodule series has proved its reliability at thousands of installations in every climate on Earth Among the features that contribute to its versatility Dual Voltage Capability These modules consist of 36 polycrystalline silicon solar cells electrically configured as two series strings of 18 cells each The strings terminate in the junction box on the module back Shipped in 12V configuration modules may easily be switched to 6V configuration in the field by mov ing leads in the junction box This design also allows instal Inl BN SOL ARE X lation of bypass diodes on 18 cell strings which can improve reliability and performance in systems with nomi nal voltage 24V and above Higb Capacity Multifunction Junction Box The size of the junction box 25 cubic inches 411cc and its six terminal connection block allow most system array con nections t
82. r diff rentes temp ratures 40 Figure 5 8 Le courant et la tension du panneau solaire en fonction du facteur de qualit 41 Figure 5 9 Influence de l intensit de Tensoleillement sss 42 Figure 5 10 Influence de l intensit de l ensoleillement sur la puissance 43 Figure 5 11 La tension fournit par la g n ratrice en fonction du temps 44 Figure 5 12 Le courant fournit par la g n ratrice en fonction du temps nns00000000 44 Figure 5 13 R sultat de chargement de la batterie avec l olienne 45 Figure 5 14 Droite de charge avec un seul panneau solaire 46 Figure 5 15 Droite de charge avec deux panneaux solares 47 Figure 5 16 Droite de charge avec la g n ratrice au diesel 48 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page xi PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Liste des figures suite Figure 6 1 sModele de maison ty pe eegene neers 49 Figure 0 2 Banc de DANCE A a We Sd ook 22 Figure 6 3 Performance de l olienne pour diff rentes vitesses de rotor 54 Figure 6 4 olienne HAWT 5 KW 54 Figure 6 5 Solat world 175 WattS esse ter eU Ye od Urt e so tenants 55 Figure 6 6 Y ANmar G n ratrice HDY W 14M6 esses eene 56 Figure 7 1 Synoptique de raccordement pour l olienne 57 Figure 7 2 Synoptique de raccor
83. rincipaux modes de transfert de chaleur et d nergie soient La convection La conduction La radiation 2 2 1 Le principe de la convection Qu est ce que la convection La convection est un ph nom ne qui se traduit par un d placement d air et un transfert d nergie thermique En d autres termes l air plus chaud monte et l air froid redescend ce qui cr e le d placement d air r f 2 Une cellule de convection est un d placement perp tuel de l air La figure ci dessous illustre ce fait p refroidissement 4 Figure 2 1 Cellule de convection Ce principe est utilise dans plusieurs appareils a usage quotidien comme le r frig rateur Dans un r frig rateur l air froid entre par le haut du r frig rateur car l air chaud monte l int rieur du r frig rateur et l air froid redescend pour prendre la place de l air chaud Le mouvement de l air se fait ainsi sans la pr sence de ventilation S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 3 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON La loi de la physique pour la convection s exprime comme suit q hA t to 2 1 Ou h coefficient de convection A l aire perpendiculaire a la direction du flux de chaleur t la temp rature de la surface consid r e t la temp rature du fluide au large q la puissance en watt 2 2 2 Le principe de la conduction Qu est ce que la condu
84. s celcius 110 EE 1000 W m2 100 P4 Ki 1500 W m2 P Ki 2000 W m2 30r m S 2500 W m2 60 90 Puissance W E P d N N V Fi 3 E N X V 30 PA d ES Ce f i KA 20 if uw i 0 5 10 15 20 Tension de module V Figure 5 10 Influence de l intensit de l ensoleillement sur la puissance En multipliant la tension et le courant on obtient la puissance produite pour les diff rentes intensit s et tensions de module Le graphique permet de d duire les points de fonctionnement optimal dans les conditions de simulation pour chaque intensit lumineuse On peut ainsi encore affirmer que l intensit est de loin le param tre le plus important dans le fonctionnement des panneaux solaires 5 1 3 La g n ratrice au diesel 5 1 3 1 Simulation 1 la tension et le courant g n r avec la vitesse nominale du moteur 1 pu Donn es caract ristiques G n ratrice synchrone de 10 2kVA environ 10 200 watts Donn es entr es Vitesse de rotation nominale du moteur 1800 RPM Tension de sortie Puissance de d part 5000 Watts S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 43 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Donn es sorties La tension Le courant R sultats Tension en volts Temps en secondes Figure 5 11 La tension fournit par la g n ratrice en fonction du temps Courant amp re Te
85. s et les quipements du syst me doit tre verrouill cl en tout temps S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 58 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Quatri mement il faut toujours tre 2 personnes lors du d neigement des panneaux solaire sur le toit de la maison et la personne sur le toit doit tre attach e si la maison une hauteur sup rieure 3 metres Finalement faire appelle un lectricien ou une personne qualifi e en lectricit s il arrive des v nements inexplicables ou anormaux et fermer l alimentation principale en cas d urgence jusqu ce que les r parations soient effectu es CHAPITRE 9 Calculs conomiques Estimation des cotts Tableau 9 1 Bilan conomique olieme KW T 2294 G n mtice 1 Oo Contr leur Jl 900 0 Fils Essence Facture d Hydro Qu bec 200 mois 12 mois 2400 an X 25 ans 60 000 L installation est donc amortie sur 25 ans Apres 25 ans le syst me commence tre rentable Ce syst me devient int ressant lorsque la maison est situ e en milieu loign et ou qui n a pas acc s au r seau d Hydro Qu bec De plus ce genre d installation procure l utilisateur une autonomie complete qui lui permet d avoir de l lectricit m me en cas de panne Un tel syst me devient attrayant lorsqu on se construit une nouvelle habitation et qu il faut d
86. s les tensions de module atteignent le maximum la plage de tension de module est beaucoup plus grande De plus la tension tendance diminuer lorsque le courant fourni par la batterie augmente Il serait int ressant de connaitre le point ou la puissance est optimale pour pouvoir ajuster le syst me de fa on obtenir le meilleur rendement 5 1 2 2 Simulation 2 Observation de l influence de la temp rature sur la puissance produite Les donn es caract ristiques et d entr es sont les m me que la 1 simulation Donn e de sortie la puissance produite R sultat de la simulation La puissance produite en fonction de la temp rature et de la tension du module avec une intensit de 1000w m2 60 T 0 degr Celcius T 25 degr Celcius e 90r T 50 degr Celcius N T 75 degr Celcius Puissance W CO 0 5 10 15 20 25 Tension de module V Figure 5 7 La puissance en fonction de la tension pour diff rentes temp ratures S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 40 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Explication La courbe du graphique ci dessus est obtenue en multipliant la tension par le courant dans le graphique pr c dent Pour plusieurs temp ratures donn es la puissance optimale se situe presque toujours lorsque la tension est de 16 volts La puissance produite est maximale pour une temp rature de 0 deg
87. se forme dans la maison La figure ci dessous illustre bien ce fait Fl che rouge air chaud Fl che bleue air froid Figure A 1 Exemple de la convection On remarque que les conditions n cessaires la formation d une cellule de convection sont une source de chaleur ou une diff rence de temp rature entre 2 hauteurs dans un endroit confin Exemple de convection et de conduction Le chaudron chauff par l l ment du four refroidissement 4 Figure A 2 Exemple de convection et de conduction thermique La cellule de convection est produite suite au ph nom ne de conduction entre le r cipient et la plaque chauffante Le sch ma contient ainsi de la convection et de la conduction S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 62 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Exemple de radiation Le meilleur exemple de rayonnement thermique est notre source de vie soit le soleil Le soleil nous r chauffe de facon continuelle depuis des si cles Figure A 3 Exemple de radiation S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 63 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Annexe 2 Sch ma d une tour de refroidissement de centrale thermique AIR CHAUD ET HUMIDE charg en vapeur d eau JNSNSNNNNNSNSSSS CCC ALL LAS MOUT ren esque CH Guo ENTREE Ll AIR Figure A 4 Tour de refroidissement
88. sss00s000000ee 13 3 1 3 Principe de raccordement E aos oie teu ete erro vie a Ee Re eats 15 35 2 Les panneaux S Ol AIS Sero ee 15 SP Mone Pe M 15 3 2 2 Fonctionnement des panneaux solaires photovolta ques esssese 16 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page iv PROJET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON 2 La venetatrice AUC EE 17 3 3 MOJU CUO RT 17 EE 17 3 3 3 Principe de raccordement au syst me 18 CHAPITRE 4 Mod lisation des sous syst mes de la centrale modulaire 19 4 1 Description du fonctionnement id al dans le cadre de notre mandat 19 AD DOS COMIC BING Eege 19 4 2 1 Alternateur de l olienne G n ratrice asynchrone machine asynchrone 22 A 2 Nol E e e 23 e AIA COMIN EE 26 43 LIES KEE 26 GEES 28 4 4 1 Alternateur de la g n ratrice au diesel machine synchrone 28 4 4 EN Coto le b ge ee dentede 29 AA d le me AMIN EE 32 ga Moteur au die Sel Re ee ete 33 CHAPITRE 5 R sultats des simulations et discussion 34 5 1 Simulation des performances de chaque syst me modulaire 34 SELLES EME COE onsa oT 34 5 1 1 1 Simulation 1 Le couple g n r en PU en fonction de la vitesse d entr e du o ee eena A E a a 34 5 1 1 2 Simulation 2 La puissance produite par la g n ratrice asynchr
89. t est fourni l annexe 2 En fait dans les tours de refroidissement le courant d air est souvent forc mais dans notre cas 1l est cr D abord l eau d entr e doit tre froide plut t que chaude En tant froide et sous forme de fine gouttelette l eau refroidit l air du haut de la tour et la force descendre dans le conduit Il est important que l eau entre dans le haut de la tour sous forme de gouttelette car elle a tendance se vaporis ce qui refroidit l air encore plus Quand l air est froid sa densit est plus lev e ce qui augmente le poids du gaz qui a tendance descendre dans le conduit Le bas de la tour devra quant lui tre plus chaud que le haut Pour r aliser ce tour de force il faut enfoncer le bas de la tour dans le sol qui est g n ralement une temp rature d environs 10 C partir de 6 pieds sous terre De plus il faut que le haut de la tour soit assez lev en altitude pour que la diff rence de temp rature entre le haut et le bas soit suffisamment consid rable pour produire assez de puissance Un tel concept a d j t pens par le professeur Dan Zaslavsky ref 9 C est d ailleurs sur son concept que reposent les fondements de celui propos dans ce rapport tant donn la grande complexit du probl me Une repr sentation de ce qu un tel prototype aurait l air est fournit l annexe 3 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 6 PROJET INTERM DIAIRE
90. t possible de savoir le nombre d amp res heures que le banc de batteries doit fournir 72 000 Nah a 12000Ah 6 2 Ainsi le nombre de batteries est fonction du nombre d amp res heures qu une batterie peut fournir Si une batterie de 6 V fournie 530 Ah il faudra donc avoir Nan 12000Ah Nat lt c 22 64 Batt 24 Batteri 6 3 bat 530Ah batteries 530Ah batteries q rentes ES La compagnie qui fournira les batteries est situ e en France et se nomme MSM lectrique Sur leur site internet on peut en trouver plusieurs vari t s Notre choix s est arr t sur ce qui serait le plus conomique Soit l achat de deux palettes de 12 batteries Surrette 530 Ah 6V Ce qui fait 24 batteries en tout et 6 bancs de 24 volts branch s en parallele S bastien Poulin Dessureault J remie Bedard HIVER 2010 Page 53 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON 6 4 2 Choix de l olienne Le fournisseur de l olienne est le m me que pour les batteries Le choix de celle ci s est fait sur des crit res pratiques Tableau 6 1 Param tres de l olienne choisie Poids Diametre du rotor Figure 6 3 Performance de l olienne pour diff rentes vitesses de rotor Figure 6 4 olienne HAWT 5 KW S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 54 PRO ET INTERMEDIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 6 4 3 Choix des panneaux solaires Le choix des panneaux
91. ternateur demande en effet une vitesse de rotation lev e pour produire de l lectricit de fa on significative L alternateur g n re ensuite une tension alternative sinusoidale sa sortie 3 1 2 Description fonctionnel des diff rents types existants Il existe 2 types d olienne soit axe vertical ou axe horizontal L olienne axe horizontal pr sente un rendement sup rieur celui axe vertical et plusieurs avantages sur sa concurrente Pour ces raisons on va s attarder aux diff rents modes d entrainement existants pour ce type seulement Turbine olienne entrainant une g n ratrice courant continu La plupart du temps ce type d olienne utilise une boite de vitesse pour optimiser la vitesse de la turbine d un facteur de 20 30 L nergie produite par l olienne est emmagasin e dans une batterie pour ensuite tre transmise une tension constante Par contre la production se limite quelques kilowatts et ils sont pr sentement utilis s pour l clairage dans les milieux loign s Turbine olienne entrainant une g n ratrice asynchrone vitesse constante Ce type d olienne doit tre reli au r seau lectrique pour tourner vitesse constante En fait c est le r seau qui impose la vitesse de la turbine Pour rentabiliser la vitesse du vent on utilise S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 13 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME
92. tilise le vent et le soleil comme source d nergie la moiti de la puissance devra tre fournie par le vent et l autre par le soleil Les oliennes devront donc fournir 5 KW et les panneaux solaires aussi La somme des puissances nominales des deux sources de production donne 10 KW La raison pour laquelle elle ne fournit pas la puissance totale requise est principalement le co t tr s lev des composantes De plus la puissance de 15 KW est la puissance maximale que la maison consommera dans de courtes p riodes de la journ e En moyenne celle ci ne consommera que 2 3 KW Alors la puissance pr vue pour les deux sources autonomes est amplement suffisante 6 4 1 Calcul et choix du banc de batteries Figure 6 2 Banc de batteries Les batteries devront pouvoir fournir la puissance instantan e de 15 KW Cela est assez facile obtenir avec une seule batterie Le probl me c est qu il faut pr voir la d charge de celles ci Les batteries devraient pouvoir alimenter une maison pendant au moins une journ e dans l ventualit o le vent et le soleil sont absents pendant quelques jours La quantit d nergie requise en consid rant une consommation moyenne de 3KW serait donc S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 52 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON 24h E 3000W jour x ljours 72 KWh 6 1 Consid rant que chaque batterie a une tension de 6V il es
93. ully sound attenuated enclosure equipped as open set m Powder Painted with finish that exceeds 1000 hr salt test m Rock wool insulation behind protective barrier m Curved edges and minimum outside fasteners GENERATOR RATINGS Standby Rating Prime Rating Alternator Voltage Ph Hz kw Amps Ka Ampa BC 164 D 120 240 1 60 12 5 oe 11 5 48 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 80 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON Alternator Specifications Lens quailty type Voltage regulator insulation Mater Temperature rie Bearing quantity Syne Coupling Amatiieeur Winding Voltage regulation road ta up bai Unbalanced baad cafe Lol accetance Peak motor staring ki 480 V Application Data Hewage Standard 4 pale stating field Birushless se excited 12 reconnectahle Solid state voltelHiz and excitasan eee pratecson Chas H 150 C standby Single bearing ze sie Flexible disc Full amp 1 556 100 of rated standby cument Per BO 524 CD dip Self evciied seriei 34 KVA Engine Electrical Specifications Engine Electrical System 12 Volt 60 Hz Pd Page changing sitematar Ground negative posiive Vols Cp Ampere rafing Starter motor rated voltage DC Starter motor rated RM Rater CCA rating Bapen amp qty AH ming Battery Voltage DC Engine Mechanical Specifications Mind urer Engine madel Engi
94. une de 12 5kW Cette quantit permet amplement de r pondre aux besoins nerg tiques de la maison De plus sa bo te de protection att nue le bruit du moteur et prot ge la machine contre les intemp ries Le g n rateur peut donc tre install l ext rieur de la maison et ne n cessite aucune installation suppl mentaire Le fournisseur est HardyDiesel et on peut trouver plusieurs autres types de g n ratrice sur leur site internet Une fiche de sp cifications d taill e est fournie l annexe 12 S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 56 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON CHAPITRE 7 Sch ma g n ral d implantation et de c blage lectrique Les fils entre le banc de batteries et le panneau de distribution de la maison doivent tre en mesure de supporter un courant de 100 amperes Pour le raccordement des syst mes au banc de batteries 1l faut se r f rer au manuel d installation de chaque composante 7 1 Le syst me d olienne 7 1 1 Synoptique de raccordement Turbine X ferons die ONDULEUR Figure 7 1 Synoptique de raccordement pour l olienne 7 2 Le syst me de panneau solaire 7 2 1 Synoptique de raccordement PANPIEALI SOLAIRE Ces Ba L CHARGE ONDULEUR 120 AC Figure 7 2 Synoptique de raccordement pour les panneaux solaires S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 57 PROJET
95. urn Mi Ei Tm mor Asynchronous Machine SI Units Generator speed pul l l B Pitch angle deg Tm pu Constante Wind speed mis 10 Battery1 D Wind Turbinel z Soope 13 Constanti Figure A 13 Circuit Matlab de charge pour olienne re dresseur S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 75 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAI SON Continuous powergul Courant de charge amperemetre 1 gt H Dr e Intensit lumineuse en suns MPPT E Source de courant repr sentant 25 le courant de uae sortie du panneau c H Temperature Panneau Solaire E KR gt el Tension pour avoir desc Battery la puissance maximale Droite de charge Figure A 14 Circuit Matlab de charge pour un panneau solaire RO Bon Battery Droite de charge Continuous Pmec pu redresseur1 Diesel Engine Speed amp Voltage Control Speed pu SM Figure A 15 Circuit de charge et d alimentation Matlab pour la g n ratrice au diesel S bastien Poulin Dessureault J r mie B dard HIVER 2010 Page 76 PROJET INTERM DIAIRE ALIMENTATION AUTONOME D UNE MAISON Annexe 11 Caract ristique du panneau solaire pour la mod lisation et l tude de l influe

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