La conversion d'énergie dans les systèmes photovoltaïque

La conversion d’énergie dans les systèmes photovoltaïque

Congrès ASPROM – 24-25 novembre 2010

A. SCHELLMANNS, Maîtres de conférences à l’Université de Tours

Responsable de département à Polytech Tours

[email protected]

Plan

Contexte et enjeux

Rappels sur la chaîne de conversion photovoltaïque

Problématiques de la chaîne de conversion photovoltaïque

Conclusion générale

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LMP : Laboratoire de

Microélectronique de Puissance

• Le LMP est composé en 2009 de 33 personnes :

– 11 enseignants-chercheurs (2 Pr, 8 MCF)

– 4 chercheurs post-doctoral

– 2 Ingénieurs (recherche, études) , 1 Technicien

– 16 doctorants

• Il dispose de deux sites :

– STMicroelectronics Tours

– Polytech’ Tours (Département Electronique et Energie)

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Axes de recherche du LMP

• Microélectronique et Technologie

• Composants et systèmes de conversion d’énergie

– Compatibilité Électromagnétique (CEM)

– Composants de puissance à faibles pertes

– Fiabilité des composants et des systèmes

– Convertisseurs et topologies pour les ENR

• Pile à combustible

• Modules PV

• Eolien…

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Plan

Contexte et enjeux




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Contexte et enjeux

Objectifs « 20/20/20 » de l’Union Européenne pour 2020

• 20 % énergies renouvelables

• 20 % de réduction des émissions de CO2

• 20 % d’augmentation de l’efficacité énergétique

Systèmes photovoltaïques (PV) pour l’habitat

• Problématique :

Énergie solaire = densité peu élevée ET production variable (jours, saisons)

Enjeux des activités PV pour le LMP

• Revoir les systèmes PV pour augmenter leur adaptabilité aux différentes applications

• Augmenter les performances des systèmes PV : des modules aux systèmes complets

Sites isolés Sites raccordés

Gestion de l’énergie au sein d’architectures complexes ?

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Générateur

photovoltaïque

raccordé au réseau

Générateur

photovoltaïque en site

isolé

Solution hybride:

Générateur

photovoltaïque avec

revente du surplus

Exemple d’installation

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Evolution de la puissance PV installée

dans le monde

EPIA - European Photovoltaic Industry Association - Global Market Outlook for

photovoltaics until 2013 - Belgique, 2008

Plan Contexte et enjeux




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Energie reçue

Paris = 1100 kWh/m2

La consommation moyenne

d’électricité d’un ménage (hors

chauffage) est de 3500 kWh/an

Une surface de capteurs

photovoltaïques de

3m² avec un rendement de 100%

suffirait largement à couvrir ces

besoins…

Plan

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C’est l’unité de référence qui permet de comparer les performances des cellules ou des modules

C’est la puissance maximale délivrée dans les conditions suivantes :

- Ensoleillement = 1000 W/m²

- Température ambiante = 25°C

- Epaisseur de l’atmosphère = 1,5

Exemple : module de puissance 120 Wc et de surface 1 m²

Pour une puissance de rayonnement solaire incident de 1000 W/m²

Ce module fournit une puissance de 120 W

Son rendement est de 12%

Attention aux conditions d’extrapolation…

Le Watt crête (Wc)

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Evolution du rendement des différentes

technologies entre 1975 et 2008

Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. Departement of Energy - 2008 solar

technologies market Report- U.S.A., 2008

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0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25

I (A

)

V (V)

Caractéristiques I(V) en fonction de la température

0°C

25°C

50°C

75°C

Ca ne va pas dans le bon sens…

Problème d’inclinaison

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Rendement européen

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Rappels sur la chaîne de conversion PV

Ex. : installation PV raccordée au réseau électrique

DC / AC

Réseau de distribution

Compteur de production

Compteur de consommation

Champ PV

Charges AC

ηcapteurs ηconversion

ηinterrupteur

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Problématiques de la chaîne de conversion PV


Champ PV

ηcapteurs


DC / AC


ηconversion


Charges ACηinterrupteur

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Intermittence du gisement solaire + ombrages (1/2)

kW.h

/m2/m

ois

He

ure

s de

sole

il/mo

is

Mois1 3 5 7 9 11

0

40

80

120

160

200

0

100

200

300

400

500

Tours : en moyenne 1240 kW.h/m2/an

I

V

« I » proportionnel à l’éclairement C

ou

ran

t (A

)

Tension (V)

1 kW/m²

200 W/m²

Générateur PV non-linéaire

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kW.h

/m2/m

ois

He

ure

s de

sole

il/mo

is

Mois1 3 5 7 9 11

0

40

80

120

160

200

0

100

200

300

400

500

Tours : en moyenne 1240 kW.h/m2/an

I

V

P = V × I dépend de l’impédance de la

charge

Pu

issa

nce

(W

)

Tension (V)

1 kW/m²

200 W/m²

« MMP » = Max. Power Point

La charge des modules PV doit rechercher le meilleur point de fonctionnement du système

Intermittence du gisement solaire + ombrages (2/2)

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DC / AC

ηconversion


Champ PV

ηcapteurs


Charges ACηinterrupteur



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Conversion DC-AC (1/5)

+=DC AC DC DC DC AC

Étage d’adaptation :- Élévation / abaissement de la tension- Suivi « MPP »

Exemple d’algorithme MPPT (méthodes Hill-Climbing, P&O)

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+=DC AC DC DC DC AC

Onduleur :- Conversion DC/AC- Mise en forme courant AC- Surveillance réseau- Norme VDE 0126 Différentes topologies

Onduleur

Central

DC/AC

3 kVA – 5 kVA

Onduleur multi-rangée

(multi-string)

DC/AC

1 kVA – 10 kVA

Onduleur

individuel

(integrated)

400 VA – 500 VA21 / 38

Projet labellisé par le pôle de compétitivité S2E2

http://radiobistrot.blog.lemonde.fr/files/2008/03/ampoule.1206672254.jpg




Marché des onduleurs : tendances actuelles

Source : String and Module Integrated inverters for Single-Phase Grid Connected Photovoltaic Systems. 2003

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Conversion mono étage (avec ou sans isolation)

Projet labellisé par le pôle

de compétitivité S2E2


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Conversion deux étages (avec ou sans isolation)

De nombreuses technologies…


Architectures d’onduleurs : structure simple utilisant un pont de transistors

+

-

BUS DC

+ Accumulateur d’énergie+ Filtrage des fluctuations de tension (commutations)Maintien point de fonctionnement stable

- Condensateur de forte capacité- Faible durée de vie (très sensible à la chaleur)

Transformateur 50 Hz+ Ajustement tension réseau+ Isolation galvanique- Encombrement

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Architectures d’onduleurs : circuit 3 étages avec transformateur HF

+

-

BUS DC

Transformateur HF+ Adaptation tension d’entrée+ Réduction poids onduleur

Conversion AC/DC

Pont à transistors + Conversion DC/AC par modulation d’amplitude+ Signal AC adapté à la fréquence du réseau 26 / 38

Les différentes architectures onduleurs

Dépendances

des topologies (applications, gammes de puissance…)

du pays d’accueil, des normes en vigueur (isolation, mise à la terre)

du choix de l’industriel (rapport qualité/coût…)

Les principaux onduleurs monophasés (toutes applications

confondues)

Pont tout transistor

+: simple, Is sinus 50Hz

-: transformateur BF, condensateur de forte valeur (durée de vie

limitée)27 / 38


Pont tout transistor + Boost (Pour l’intégré)

+: gamme Ve ↑, Is sinus 50Hz, Mise à la terre (MALT)

-: transformateur BF

Circuit 3 étages + transfo HF

+: gamme Ve ↑, Is sinus 50Hz, Transfo. HF (volume ↓), MALT

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Circuit 4 étages + Push-Pull (ex: Soladin 120 η=95,4% 2001)

+: adaptation Ve, gamme Ve↑, MALT

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Ombrage des panneaux photovoltaïquesTechnologie multi string / connexion série

3 string de 3 panneaux en série 1 panneau totalement à l’ombre

Courant string I PVS = 0,8 A

Tension string U PVS = 3 x 25 = 75 W

Puissance string ombragé Pmax = 75 x 0,8 = 60 W

Caractéristiques du branchement Courant total généré

I total = Somme courant de chaque string

Tension totale produite U total = Somme des tension des PV en série

Puissance du module Pmax P = U x I = 75 V x 8,8 A

Puissance totale de 660 W

" 4 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

" 0,8 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

String 1 String 2 String 3

0,8 A 4 A 4 A

8,8 A

MPPT

DC - AC

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Ombrage des panneaux photovoltaïquesTechnologie multi string / Connexion parallèle

3 string de 3 panneaux en parallèle 1 PV à l’ombre et autres PV éclairés

Courant panneau à l’ombre I PV_OMBRE = 0,8 A

Courant du string I PVS = 8,8 A

Tension du string U PVS = 25 V

Puissance du string à l’ombre Pmax = 25 x 8,8 = 220 W

Caractéristiques du branchement Courant total = somme des courants produit par les PV

Tension totale = Somme des tensions des panneaux U PV

Puissance totale P = U x I = 25 V x 32,8 A

Les panneaux doivent avoir la même tension


String 1 String 2 String 3

32,8 A

" 4 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

8,8 A 12 A 12 A

" 4 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "" 0,8 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

" 4 A "

" 25 V "

MPPT

DC - AC

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Ombrage des panneaux photovoltaïquesTechnologie micro – inverter

Illustration sur 9 PV Conditions maximales d’ensoleillement

Courant I PV = 4 A

Tension U PV = 25 V

Puissance P max = 100 W

Effets d’ombrage Courant I PV = 0,8 A

Tension U PV = 25 V

Puissance P max = 20 W

Technologie µ – inverter PV connectés à un micro – onduleur

Dispositif MPPT intégré au µ -inverter

1 PV à l’ombre et les autres éclairés Courant PV I PV = 0,8 A

Tension U PV = 25 V

Puissance du module Pmax = 25 x 0,8+ 2 x 100 = 220 W

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1er cas: Système à onduleur multi string

3 string de 3 PV en série

1 panneau à l’ombre

Puissance du string P = 20 x 3 = 60 W

3 string de 3 en parallèle PV

1 panneau à l’ombre

Puissance du string vaut P = 20 + 2 x 100 = 220 W

2ème cas: Système à micro – inverter

1 panneau à l’ombre Puissance du module vaut P = 20 + 2 x 100 = 220 W

Influence de l’ombrage sur l’efficacité énergétique des PV




27 % de pertes

9 % de pertes

27

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Charges AC

DC / AC


Champ PV

ηcapteurs ηconversion


ηinterrupteur


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Nouvelles topologies d’interrupteurs AC (1/2)

I

V

P-

Substrat Si

SOIP-SOIN+P+ P+

N

+SiO 2

P-

Substrat Si

SOI /N-VLDP-SOI /N-VLDN+ P+ P+

N+

SiO2

BaseEmetteur

Dop

(at.cm-3)

Collecteur

Optimisation ηinterrupteur

• Contraintes sur l’interrupteur :

Bidirectionnalité Tension / Courant

Commandabilité (ouverture et fermeture)

Tenue en tension VBR = 600 V

Puissance dissipée max. = 3,5 W @ 4,5 A Pertes = 0,8 W/A

Nécessité de développer de nouvelles briques technologiques

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Nouvelles topologies d’interrupteurs AC (2/2)

Approche discrète : exemple de réalisation

Assemblage de transistors et de diodes à faible VF

Commandeen Courant

Courant nominal IC

Diode600 V

Diode600 V

Transistor600 V

Transistor600 V

ISIS 01

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Besoins & Applications

Approche système

Définition des

masques

Outils de CAO

Réalisations

technologiques

Caractérisations

R11100k

J4SYNCHRO 50Hz

R1610k

R2

1.2k

R19120

R1510k

6

SE

T

5D

3CLK

Q1

Q2

VC

C

14

GN

D

74

RE

SE

T

U1ACD4013A

IN OUT

GN

D

U3 L78M10CV

R8

1M

R21

XX

J5

MAINS

R25

4.7k

D8D1N4148

Q22N2222

R23

1.5k

C4

100n

C1410n

C633n

R2247k

C122n

J1SYNCHRO PULSE OUT

R3

XXSW1PULSE

8

SE

T

9D

11CLK

Q13

Q12

10

RE

SE

T

U1BCD4013A

C11

100n

J8SYNCHRO 100Hz

D9D1N4148

- +

D4DIODE BRIDGE

R920K

TP1A

Q32N2907

C121000µ/25V

BAT46D1

SW3Mono pulse / Phase control

C13

100p

R12

20k

C71µ

Q6

Q7

VC

C16

GN

D8

RST3

A4

B5

CX1

RC2

U2ACD4538B

R18

1.5k

C81µ

F1

500mA

TP5K

R7

1k

R6470k

R41Meg

Q12N2222

R2410k

C21u

R10

XXQ

10

Q9

RST13

A12

B11

CX15

RC14

U2BCD4538B

Q42N2222

C5

100n

SW6POWER ON/OFF

R11.2k

C10

330n

R5

XX

C9100p

SW2Range

sy nchro 50Hz

sy nchro 100Hz

sy nchro 50Hz

VCC

sy nchro 100Hz

SYNCHRO PULSE OUT

VCC

GND

GND

GND

GND

GND

GND

GND

GND

VCC

VCC

GND

VCC

VCC

VCC

GND

GND

GND

GND

VCCTP4

G

VCC

R17820

D6

ON

TP3MAINS

GND

TP6MAINS

GND

TP2OUT

Control

R14820

6

3

4

5

11

12

13

14

T1

TRANSFORMER 2x115V/2x9V

J2A

C3220n

J7K

9V

9V

D7

D1N4148

ON

VCC

GA2A1

J3

A2GA1

J6

SW5

OUT POS/NEG

SW4Phase control ON/OFF

D3 Phase

D51N4007

115V

115V

OUT1

R13820

D2Mono pulse

OUT2

VCC

ON

R20XX

OUT2

OUT1

Outil de simulation PVSyst…

Matlab..

Approche système

J FMA MJ J AS ON D

E

kWh /an

Si ombrage

(important pour les

faibles élévations)

Modélisation de la production photovoltaïque

J FMA MJ J AS ON D

E

ηPV ηconvPe Ps

Considéré fixe

(attention aux variations de

températures: -0.4% / °>25°C)

Dépendant du Pt. De

fonctionnement

X ηPV X ηconv = f(PPV) = kWh1 /an

X ηPV X ηconv = f(PPV) = kWh2 /an < kWh1 /an

38 / 38

39 / 39

Attention de nombreuses approximations qui peuvent ne pas être négligeable…

Ombrage, température, vent…

Perspectives :

- Conversion d’énergie (architecture…)

- Développement d’outils de simulation de production solaire

Documents

La conversion d'énergie dans les systèmes photovoltaïque