Journal des Sciences Pour l'Ingénieur

Modelisation et simulation d'un sechoir solaire diurne et nocturne

O Tamarin

In French Guiana, like in the countries of the African continent the access to the electrical energy is often a problem. For this reason, isolated agricultural farms requires the implementation of autonomous solar drying devices, easy to install and robust. We propose in this paper to present a solar dryer prototype to answer this problematic. The device is designed to dry agricultural products along day and night while maintaining a temperature and the air flow constant. The modelling of the dryer decomposed into subsystems using the nodal approach is also presented. The simulation results obtained are compared with experimental results and commented.

Cellules Solaires Silicium : Du matériau aux dispositifs

M Pasquinelli

Les performances des cellules solaires sont conditionnées par plusieurs paramètres intrinsèques au matériau et
à la technologie mise en oeuvre pour leur élaboration.
Au cours de cet article, ces différents aspects seront abordés et illustrés sur des cellules commercialisées ou faisant encore
l'objet de recherches. La filière photovoltaïque dominante utilise le silicium cristallin comme semiconducteur de prédilection. Matériau qui couvre
bien évidemment la production traditionnelle mais qui intéresse aussi les cellules dites de troisième génération faisant appel à des technologies sophistiquées. Nous illustrerons donc trois stratégies exploratoires sur des cellules silicium : l'obtention de rendements de conversion élevés (cellules dites de 3ème génération), la réduction du coût de la cellule (cellule hétérojonction: OTC-Silicium) et l'utilisation de silicium substrat dopé n.

Solar cells efficiency is mainly controlled by semiconductor properties and technology. In this article these points will be presented and highlighted on commercial and laboratory solar cells. Up to now, photovoltaic route is dominated by crystalline silicon which is involved in production and also in the third generation solar cells. Three strategies will be developed on silicon solar cells: the achievement of high efficiency, the cost reduction of solar cells and the use of n-type silicon as substrate.

The Wide Band-Gap Semiconductors: A Brief Survey

L Ottaviani

The wide band-gap semiconductors are promising materials in the fields of power electronics, high-energy radiation detection and optoelectronics. They have attracted much attention thanks to their physical properties, allowing them to get better performances than silicon for some specific uses (high temperature, high voltage, emission or detection of light at short-wavelengths …). Among these properties, a lower intrinsic carrier concentration than in silicon, a higher thermal conductivity, a larger saturated electron drift velocity and a very good radiation hardness are the crucial parameters for highlighting the advantages of such semiconductors. A survey of the properties of these specific materials is exposed, as well as the major applications in research and industrial fields.

Les semi-conducteurs à grande bande d’énergie interdite sont des matériaux très prometteurs dans les domaines de l’électronique de puissance, de la détection de radiations haute énergie et de l’optoélectronique. Leurs propriétés physiques permettent d’obtenir de meilleures performances que le silicium pour certaines applications bien précises (haute température, haute tension, émission ou détection de lumière à courtes longueurs d’onde…). Parmi ces propriétés, une concentration de porteurs intrinsèques plus faible que dans le silicium, une conductivité thermique plus élevée, une vitesse de saturation électronique plus importante et une très bonne résistance aux irradiations sont des paramètres qui montrent bien l’intérêt d’utiliser ces semi-conducteurs. Un bref examen des propriétés de ces matériaux spécifiques est proposé ici, ainsi qu’une présentation des principales applications dans les domaines de la recherche et de l’industrie.

Modele electrique d’une pile a combustible « pem » pour utilisation electronique de puissance

I Sadli

Ce papier présente un modèle électrique dynamique d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) en vue de son intégration dans un environnement de l'électronique de puissance. Le modèle est élaboré par spectroscopie d'impédance. A partir du modèle de Randles d’une réaction redox, on montre que l’impédance de diffusion convection peut être représentée sous forme d’une impédance d'une ligne de transmission de type RC, dont la représentation discrète conduit à un modèle comportant un nombre limité d’éléments. L’influence du courant débité et de la température de fonctionnement sur les éléments du modèle est illustrée expérimentalement sur un banc de tests équipé d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons de 500 W. Le modèle proposé est ensuite validé lors d’échelons de courant et lors du débit sur un convertisseur DC-DC élévateur.

This paper presents a model of a dynamic electric fuel cell proton exchange membrane (PEM) for its integration in an environment of power electronics. The model is developed by impedance spectroscopy. From the Randles model of a redox reaction, we show that the convective diffusion impedance can be represented as an impedance of a transmission line RC, whose discrete representation leads to a model with a limited number of elements. The influence of current output and operating temperature on the elements of the model is illustrated with an experimental test bed equipped with a fuel cell proton exchange membrane 500 W. The proposed model is then validated at current levels and at the speed of a DC-DC elevator.

Evaluation du potentiel éolien des sites de Kayar et de Potou Application au choix d’une éolienne adaptée au site

BO Bilal

Le Sénégal est un pays en voie de développement dont la dépendance en combustibles fossiles importés peut être diminuée par une exploitation soutenue d’autres sources alternatives d’énergie. L’énergie éolienne peut être exploitée pour divers usages (domestiques ou industriels). Une connaissance précise du régime des vents est un préalable pour la planification et l’exécution efficaces de projets éoliens. Cependant, en raison de l’absence d’un atlas fiable et précis en matière du vent au Sénégal, des études préalables portant sur l’évaluation du potentiel éolien sont nécessaires dans ce pays. Cet article propose une méthode d’évaluation du potentiel éolien appliquée à deux sites et une méthode de choix d’une éolienne adaptée au site. Dans cette étude, des données du vent collectées sur une année pour deux sites différents (Kayar et Potou) dans la région du Sénégal sont traitées. Le résultat obtenu montre que la vitesse moyenne à la hauteur 30 m est de 4,77 m/s et 5,28 m/s sur les sites de Kayar et de Potou. Les données sont aussi ajustées par la loi de Weibull. La densité de puissance obtenue est de 120 W/m² sur le site Potou et 93 W/m² sur le site de Kayar. L’étude de choix d’une éolienne adaptée aux sites est effectuée en utilisant les caractéristiques d’éoliennes données par des fabricants. De manière générale, les résultats obtenus montrent l’existence d’un potentiel éolien favorable à l’utilisation des éoliennes de petite puissance

Senegal is a developing country which dependence on imported fossil fuels can be reduced by a sustained use of alternative sources of energy. Wind energy can be exploited for various purposes (domestic or industrial). A precise knowledge of wind patterns is a prerequisite for an effective planning and execution of wind projects. However, due to the lack of a reliable and accurate atlas of wind in Senegal, previous studies on the evaluation of wind potential are needed in this country. This paper proposes a method for assessing the wind potential applied on two sites and a method of choosing a suitable wind turbine of the site. In this study, the wind data collected over a year for two different sites (Kayar and Potou) in a Senegal region are processed. The result shows that the average wind speed at height 30 m is 4.77 m/s and 5.28 m/s on the sites of Potou ant Kayar. The data are also adjusted by the Weibull distribution. The power density obtained was 120 W/m² on the site of Potou and 93 W/m² on the site of Kayar. The chosen study of suitable wind turbine is performed through the use of some characteristics of wind turbine giving by manufacturers. In a while, the obtained results show the existence of a potential wind power fitting with the use of small wind turbine which starting speeds and rated speeds are the weakest.

Modélisation électrique d’une génératrice discoïde : Application à la génératrice de l’aérogénérateur du projet EolSénégal

O Cisse

Les Génératrices discoïdes à aimants permanents, du fait de leur simplicité de réalisation, sont de plus en plus utilisées dans les applications éoliennes. Afin de pouvoir évaluer leurs performances et ainsi optimiser leur utilisation, il est important de disposer d’un modèle électrique leur correspondant. Le travail proposé s’inscrit dans cette thématique. Son objectif est de modéliser les génératrices discoïdes modèles de génératrices de l’aérogénérateur du projet EolSénégal. Les travaux effectués ont permis d’élaborer le modèle électrique de la génératrice composé de trois sources de tension de même impédance interne couplées en étoile. Le modèle met aussi en évidence la présence d’un harmonique de rang 3 non négligeable. Le modèle électrique est ensuite validé à partir de mesures sur un banc d’essais sur différentes configurations d’utilisation avec comme variables la vitesse d’entrainement et l’entrefer. Les résultats obtenus montrent que les résultats de simulations sont en accord avec les mesures avec des écarts de 6 % à 10 % suivant l’importance des pertes du flux magnétique.

Discoid Generators in permanent magnets, because of their simplicity of realization, are more and more used in the wind applications. To be able to estimate their performances and so optimize their use, it is important to have an electric model their correspondent. The proposed work joins in this theme. Its objective is to model discoïdes generators, models of generators of the wind generator of the project EolSenegal. The made works allowed to elaborate the electric model of the generator consisted of three sources of tension of the same internal impedance coupled in star. The model also brings to light the presence of a harmonious of rank 3 not insignificant. The electric model is then validated from measures on a bench test on various configurations of use with as variables the speed of training and the air-gap. The obtained results show that the results of simulations are in agreement with the measures with distances from 6 % to 10 % following the importance of the losses of the magnetic flow.

Monitoring d’une installation éolienne : Application à la caractérisation de l’aérogénérateur du projet EolSénégal

CMF Kebe

A partir d’un monitoring d’une année du système éolien installé dans le village de Goback situé dans la région de Saint Louis au Nord du Sénégal (lat = 15°57 N et long = 16°26 W) pour l’électrification d’une case de santé et d’une école, nous avons fait l’évaluation du potentiel éolien du site et caractériser l’aérogénérateur du projet EolSénégal. Pour cela des mesures de vent à 15 mètres sont effectuées avec un anémomètre et une girouette de type NRH 40C et 200P respectivement. Des shunts sont utilisés pour mesurer le courant délivré par l’éolienne. Tous les capteurs sont reliés à la centrale d’acquisition CR800 de type Campbell Scientific qui assure la collecte et l’archivage des données. L’exploitation des mesures obtenues montrent deux régimes de vents distincts associés à la saison sèche et à la saison des pluies avec respectivement des vitesses moyennes de 4,58 m/s et 3,50m/s à 15m de hauteur. Les vents obtenus sont réguliers avec des directions privilégiées de Nord-Ouest à Ouest et Nord-Est à Est respectivement pendant la saison sèche et pendant la saison des pluies en accord avec le potentiel mesuré dans la zone. L’exploitation des données électriques ont permis de construire la courbe de puissance de l’Eolienne. De celle-ci, nous avons pu déduire ses caractéristiques correspondant à une vitesse de démarrage de 2m/s, à une puissance nominale de 500 watts obtenue pour une vitesse de 7 m/s. La courbe de rendement de l’aérogénérateur montre une valeur optimale dans une gamme de vitesse comprise entre 3 et 5 m/s contrairement aux aérogénérateurs du marché où les gammes observées sont voisines de 10m/s. L’intégration de la puissance mesurée sur l’année donne une production de 1000 kwh pour une vitesse moyenne du vent de 4,2 m/s. Cette étude montre la pertinence de s’orienter vers la production locale des dispositifs de production d’énergie afin d’offrir des solutions adaptées inscrites dans une pérennisation des filières.

This topic deals with the wind potential along the coastal area in Senegal. Within the EolSenegal Project we monitored a windmill at Gobaak located in the northern part of the country, (lat = 15°57 N; long = 16°26 W). Wind data is taken at 15m above ground with an anemometer and a vane of NRG Company. Shunts are used to measure the current delivered by the windmill. All the sensors are connected to CR800 data logger of Campbell Scientific. The exploitation of Data highlights two distinct types of wind behaviour associated to dry season and rainy season with mean wind speeds around 4, 6 m/s and 3, 50 m/s respectively. Wind directions are fairly regular with dominants winds oriented to North-West for dry season and East -West or East during rainy season. The analysis of electrical data measured in the site shows
• A nominal power of 500 watts for mean wind speed of 4m/s.
• Performance curve of the windmill is optimal between 3m/s and 5m/s, while current windmills on the market have performance optimum for around 10m/s
• The Integration of windmill power for a period one year yields a production of 1000 kWh by mean wind speed of approx. 4 m/s.
This study has shown the presence of an interesting wind potential which could be valorised by proper exploitation using local materials and expertise. The prototype developed in this respect is now being tested to an industrial scale. Therefore an integration of the wind energy into the wider energy policy is rewarding.

Développement d’un régulateur de charge / décharge de batterie avec seuils configurables pour des applications éoliennes

A Ndiaye

Dans cet article, nous présentons le développement d’un régulateur de charge et de décharge d’une batterie 24 V ou 12 V utilisée dans des applications éoliennes de faibles puissances. Ce régulateur permet d’une part de protéger la batterie contre les phénomènes de surcharge et de décharge profonde. D’autre part, il permet de protéger l’éolienne contre les vents forts. Il est piloté par microcontrôleur PIC 16F778A. Cette fonction de régulation est réalisée à l’aide d’un algorithme qui compare constamment la tension de la batterie à des seuils de charge, de décharge et de basculement vers des résistances de dissipation. En plus, ce régulateur permet de connaître le niveau de charge de la batterie via des diodes électroluminescentes. Des résultats expérimentaux seront présentés pour illustrer le fonctionnement du régulateur proposé.

In this article, we present the development work of a 24 V or 12 V battery regulator in a low power wind system. This regulator allows battery protection from overcharging and deep discharging. In addition, it makes to protect the wind mill against the strong winds. It is controlled by microcontroller PIC 16F778A. This function of regulation is realized using an algorithm which constantly compares the tension of the battery with thresholds of load, discharge and swing towards resistances of dissipation. Moreover, this regulator inform about the level of load of the battery via electroluminescent diodes.

Consommation en combustibles ligneux domestiques et incidences dans les iles du Saloum (Senegal)

AGF Benga

En Afrique, la nature demeure la principale pourvoyeuse de ressources quotidiennement utilisées. Au Sénégal, la mangrove est d’une grande importance écologique et économique. Compte tenu de la faiblesse du pouvoir d’achat de nombreux foyers, le bois est utilisé comme combustible ou bois de service. A l’instar des facteurs naturels, la pression anthropique contribue à sa vulnérabilité. Toutefois, la méconnaissance de la consommation moyenne individuelle et journalière en combustibles ligneux masque un des enjeux de la question énergétique.
L’étude conduite ici s’appuie sur l’exploitation du bois de mangrove comme bois de chauffe, dans les îles du Saloum, pour estimer la consommation moyenne journalière, à partir d’enquêtes exhaustives menées dans deux villages (Dionewar et Bassoul), recoupées par un suivi domestique de la consommation, sur un échantillon de 67 foyers. La pression mesurée est parfois surprenante. Dès lors, d’intéressants modèles de simulations des besoins peuvent être établis et participer significativement, en amont, aux approches de conservation d’un écosystème littoral à usages multiples.

In Africa, the nature remains the main supplier of daily used natural resources. In Senegal, the mangrove of the Saloum Delta is of great ecological and economic importance. Considering the weakness of the purchasing power of many households, the wood and its by-products are widely used as fuel or timber. Like the natural factors that influence the state of natural resources, population pressure contributes to its vulnerability. However, the ignorance of the average daily per capita consumption of fuel wood masks one of the challenges of the energy issue. This study is based on the exploitation of mangrove wood for firewood in the Saloum islands, to estimate the average daily consumption. The method used is based primarily, on exhaustive surveys conducted in two island Villages (Dionewar and Bassoul), then completed by a domestic monitoring of the energy consumption on a sample of 67 households. The resulting pressure is causing many and sometimes surprising effects. Therefore, significant simulation models needs to be established and can participate meaningfully, in upstream policy of conservation of a coastal ecosystem of multiple uses.

Représentation haute résolution du système de mousson ouest africain avec un modèle climatique régional

I Diallo

L’objectif de ce travail est d’évaluer la capacité du modèle climatique régional RegCM3 à simuler de façon réaliste les principales caractéristiques du système de mousson ouest africain. La région ouest africaine est l’une des zones du globe dont la variabilité du climat est la moins maîtrisée. Sur une période de 12 ans (1989 - 2000), les caractéristiques moyennes de son climat sont simulées par la dernière version du modèle climatique régional (MCR) RegCM3 développé au Centre International de Physique Théorique Abdul Salam (ICTP, Trieste, Italie) et le modèle de circulation générale ECHAM5. Le RegCM3 est piloté à ses frontières latérales et initialisé par deux jeux de données : la dernière version de réanalyses haute résolution produite par le centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT) et les sorties du modèle de circulation générale couplé Océan-Atmosphère ECHAM5. Les profils de vents simulés sont comparés à ceux issus des données du CEPMMT. La pluie et la température de surface simulées par les modèles sont comparées aux observations du Climate Research Unit (CRU) et aux produits du Climate Prediction Center Merged Analysis of precipitation (CMAP) et du Global Precipitation Climatology Project (GPCP). L’analyse des résultats montre que quelque soit le forçage appliqué, le modèle RegCM3 simule bien les principaux éléments du climat ouest africain à savoir le flux de mousson dans les basses couches, le Jet d’Est Africain dans les couches moyennes, le Jet d’Est Tropical en haute troposphère, la température de surface et la distribution spatio-temporelle de la pluie. Les résultats encourageants obtenus dans ce travail ouvrent la perspective d’utiliser les sorties du MCG ECHAM5 pour initialiser et piloter le RegCM3 afin de réaliser des scénarii de changements climatiques futurs à haute résolution sur l’Afrique de l’Ouest et de faire des études d’impact sur l’environnement.

This study aims to evaluate the capacity of the regional climate model RegCM3 to realistically simulate the main components of the West african monsoon system. Despite several studies, West African climate variability is still not well understood. The Regional climate model (RegCM3) developped at the Abdu Salam International Center for Theoretical Physics (Trieste / Italy) and the general circulation model ECHAM5 of Max Plack Institute (Germany) have been used to simulate the mean characteristics of West african climate from 1980 to 2000. Initial and lateral boundary conditions used to drive RegCM3 are from the European Center for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) model and the coupled ocean – atmosphere general circulation model ECHAM5. Wind profiles simulated by the RegCM3 and the ECHAM5 models are compared to ECMWF data. Simulated surface temperature and rainfall of models are validated with the observed data of the Climate Research Unit (CRU), the Climate Prediction Center Merged Analysis of precipitation (CMAP) and the Global Precipitation Climatology Project (GPCP) products. The analysis of results shows that regardless the applied forcing, the RegCM3 simulates well the main features of West African climate including low-levels monsoon flux, mid-levels African easterly jet, upper levels Tropical easterly jet, surface temperature and rainfall spatio-temporal characteristics. This promising diagnostics study will be followed by a RegCM3 high resolution climate change scenario simulation over West Africa using ECHAM5 outputs as forcing data in the aim to perform environmental impacts studies.