Montage d'électrotechnique n°31: Etude d'ungénérateur photovoltaïque, caractéristiquesélectriques, rendement, charge d'une batteried'accumulateurs par un convertisseur DC/DC

François Caire

6 mai 2010

Table des matières

1 Détermination des caractéristiques du panneau photovoltaïque 3

1.1 Présentation du convertisseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Caractéristiques optiques des cellules . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Caractéristiques électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.1 Tracé à l'aide d'un rhéostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3.2 Tracé en utilisant la charge d'un condensateur . . . . . . . . . 9

2 Charge d'une batterie d'accumulateurs 11

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Introduction

Au travers de ce montage, on se propose d'étudier les caractéristiques d'un pan-neau photovoltaïque an d'en déduire une stratégie de contrôle permettant la maxi-misation du rendement. En eet, l'énergie solaire est bien évidemment gratuite et illi-mitée à notre échelle mais il s'agit néanmoins d'une source répartie (l'approximationdu corps noir conduit à un ux solaire reçu par la terre de l'ordre de 1, 75.1014W ).

Ainsi, le rendement d'un tel dispositif est en réalité limité par le coût d'un m2 decellule photovoltaïque et il est donc nécessaire de maximiser l'ecacité de conversionan de pouvoir réduire la surface à utiliser pour convertir une puissance donnée.

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Chapitre 1

Détermination des caractéristiques

du panneau photovoltaïque

1.1 Présentation du convertisseur

Le panneau photovoltaïque disponible est réalisé par la mise en association de36 cellules (diodes) photovoltaïques.

An d'obtenir une tension susante en sortie, les 36 cellules disponibles ontété placées en série, ce que l'on peut vérier en mesurant la tension aux bornesdu panneau pour un éclairement quelconque (en milieu de journée par exemple) etcomparer cette valeurs aux données constructeur concernant une seule cellule.

Le ux lumineux sera obtenu via un banc de lampes halogènes (donc à incandes-cence) qui peuvent alimentées directement via un autotransformateur connecté auréseau de sorte que l'éclairement appliqué soit réglable an de reproduire au mieuxle ux solaire.

1.2 Caractéristiques optiques des cellules

An de pouvoir caractériser intégralement le rendement d'un tel dispositif, il estnécessaire d'étudier le comportement d'une cellule photovoltaïque en fonction de lalongueur d'onde de l'éclairage reçu.

En eet, comme nous l'avons vu dans le premier chapitre de ce rapport, lesspectres de la lumière solaire hors atmosphère et sous atmosphère ne sont pas exac-tement identiques comme le montre la courbe de la gure 1.1. De plus, les diérentestechnologies disponibles pour la réalisation des cellules conduisent à des ecacitésde conversion diérentes en fonction de l'énergie des photons incidents (et donc dela longueur d'onde : cf 1.2).

Ainsi, selon l'application souhaitée, l'optimisation du rendement conduira à deschoix de technologie diérents (ex : satellites) .

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spectrale d'emittance solaire.png

Figure 1.1 Spectres d'émission solaire

Figure 1.2 Evolution du rendement des diérentes cellules avec l'énergie photo-nique

An de caractériser l'ecacité optique de notre dispositif en fonction de la lon-gueur d'onde, nous disposons d'une cellule élémentaire, ainsi que d'un banc optique,

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d'une maquette comportement 3 leds de longueurs d'onde diérentes (déjà utiliséeen TP d'optoélectronique) sur laquelle il est possible de régler l'éclairement via unpotentiomètre, et d'un wattmètre optique.

Le protocole expérimental pour chaque LED est le suivant :

xer une valeur de l'éclairement (action sur le potentiomètre) mesurer la longueur d'onde à l'aide de l'analyseur de spectre mesurer le plus précisément possible la puissance optique en un point précisdu banc à l'aide du wattmètre optique (ne pas oublier de régler la longueurd'onde considérée) : nécessité d'utiliser une lentille convergente

ajuster nement la valeur de l'éclairement (action sur le potentiomètre)* remplacer la sonde par la cellule étudiée (une seule disponible) faire débiter cette cellule sur un rhéostat et relever courant/tension

* ATTENTION : an d'obtenir des résultats comparables, il est impératif d'ef-fectuer les relevés pour des puissances optiques reçues identiques pour chaque LED.Il faut donc mesurer la puissance reçue lors de tout changement de longueur d'ondeet agir sur le potentiomètre an d'obtenir la même valeur que pour la longueurd'onde précédente, et ceci pour chaque point.

Il est aussi possible de ne mesurer que les valeurs Icc et Vac et d'approximer lescaractéristiques à des rectangles.

Les caractéristiques en puissance de la cellule sont celles de la gure 1.3.

Figure 1.3 Inuence de la longueur d'onde sur le transfert de puissance

Ainsi, considérant alors le spectre lumineux des lampes halogènes utilisées (quidépend grandement du niveau de tension appliquée puisqu'il s'agit de lament in-candescents) ou celui du soleil que l'on peut mesurer directement grâce à l'analyseur

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de spectre, on est alors à même de quantier le rendement optique du dispositif.

L'observation de la courbe précédente montre une puissance convertie plus im-portante pour la longueur d'onde ( verte) (il doit s'agir d'une erreur : cf remarqueci-après...) et donc, la puissance d'émission ayant soigneusement été maintenueconstante au cours de la manipulation, on en déduit que l'ecacité de ce type decellule est maximal pour les longueurs d'ondes proches du vert.

Remarque :On devrait observer que l'ecacité optique maximale est obtenue dans le rouge

qui correspond à la longueur d'onde la plus élevée et donc à l'énergie photoniquela plus faible (mais toujours supérieure à la valeur du gap du matériau). Ainsi, onobtient bien le même transfert de puissance pour une énergie photonique inférieure.

1.3 Caractéristiques électriques

Le but d'un tel dispositif étant de convertir l'énergie lumineuse en énergie élec-trique et nalement d'alimenter une charge quelconque, il est primordial de tracerles diérentes caractéristiques électriques pour diérents éclairements du panneauan de pouvoir déterminer une stratégie d'alimentation selon le point de fonction-nement imposé par la charge.

An d'obtenir la caractéristique courant/tension du panneau, deux solutions sontpossibles avec diérents avantages et inconvénients.

1.3.1 Tracé à l'aide d'un rhéostat

La première, et la plus intuitive, consiste à xer l'éclairement à une valeur don-née (réglable via le niveau de tension de l'autotransformateur) puis à faire débiterle panneau ainsi éclairé dans une résistance réglable (rhéostat de 50Ω).

Ainsi, on obtient les points de la caractéristique électrique sous cet éclaire-

ment en faisant varier la valeur de la charge résistive et en mesurant le courant etla tension aux bornes du panneau à l'aide d'un voltmètre et d'un ampèremètre DC.

Ces caractéristiques ont été tracées (via le logiciel Matlab) pour trois valeursdiérentes de la tension d'alimentation comme on peut le voir sur la gure 1.4.

L'observation de ces caractéristiques permet alors d'observer plusieurs grandeursimportantes :

la valeur du courant de court-circuit (Icc) obtenue pour une charge de valeurnulle

la valeur de la tension à vide (Vav) obtenue pour une charge innie (rhéostatdébranché)

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Figure 1.4 Caractéristique électrique du panneau pour diérents éclairements

On obtient, pour l'éclairement maximale les valeurs : Icc = 0, 9A et Vav = 9, 3Vqui nous permettent déjà d'entrevoir la nécessité d'ajouter un convertisseur capabled'élever le niveau de tension dans le cas où l'on veut alimenter des batteries (consi-dérées comme des sources de tension) dont les valeurs usuelles sont entre 12 et 24V.

On vérie de plus que ces caractéristiques sont bien celles d'une mise en associa-tion de plusieurs diodes (en convention générateur ici).

L'observation la plus importante est obtenue par l'étude du transfert de puis-sance eectué. On peut déjà sur les courbes de la gure 1.4 voir que le point defonctionnement où le transfert de puissance est maximal n'est pas le même selonl'éclairement.

En eet, si l'on approxime les caractéristiques obtenues à des réctangles de côtésIcc et Vav, la puissance maximale transmise est alors l'aire sous le rectangle et estobtenue pour une tension de sortie Vav qui dière selon l'éclairement.

An de se convaincre de ce phénomène il est intéressant de tracer les courbesdonnant la puissance reçue par lacharge (produit courant/tension) en fonction de latension (simple exploitation logicielle des données précédentes).

On obtient alors les caractéristiques de la gure 1.5.

Il est ici clair que le point de fonctionnement où le transfert de puissance estmaximal est grandement dépendant de l'éclairement appliqué.

Bilan :Les diérentes observations faites ici conduisent à une première ébauche du ca-

hier des charges que devra respecter le dispositif de transfert nal. En eet, nousavons mis en évidence la nécessité d'insérer un convertisseur DC/DC permettantl'élévation de la tension de sortie (un hacheur survolteur permettra de réaliser cette

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Figure 1.5 Caractéristique de puissance du panneau pour diérents éclairements

fonction) et donc de faire varier le point de fonctionnement vu du panneau (tout sepasse comme s'il était connecté à une charge variable) en jouant sur la valeur durapport cyclique (dans le cas où la charge alimentée est une source de tension tellequ'une batterie d'accumulateurs).

De plus, la commande via le rapport cyclique devra être réalisée en s'adaptant àl'éclairement reçu (qu'il faudra mesurer) an d'optimiser en temps réel le transfertde puissance.

Cette dernière contrainte ne sera pas respectée pratiquement dans ce montageen raison de sa diculté de mise en oeuvre mais la solution la plus communémentadoptée sera présentée dans ses grandes lignes.

Remarque 1 :Il est judicieux de mesurer les diérentes valeurs de l'éclairement reçu par le

panneau à l'aide de la sonde et du logiciel présent sur l'ordinateur portable prévu àcet eet an de pouvoir par la suite mesurer le rendement du panneau seul et nonpas de l'association lampe/panneau.

Il faut toutefois garder à l'esprit que cette mesure s'accompagne nécessairementde l'hypothèse d'un éclairement uniforme sur l'ensemble des cellules.

Remarque 2 :Il est aussi intéressant de balayer la caractéristique électrique du panneau dans

les deux sens lors de l'acquisition des mesures an d'observer une légère diérence(les deux courbes ne se superposent pas exactement) qui est directement imputableà l'élévation de la température du panneau dans le temps et qui est responsabled'une baisse de l'ecacité optique des cellules puisque la loi de Fermi régissantl'état des porteurs de charge du matériau est modiée (la largeur du gap diminueavec la température) rendant alors plus probable la recombinaison des porteurs ex-cités par le ux de photons avant leurs "extraction" sous l'eet du champ électrique.

Ainsi, an de remédier à cet inconvénient mais aussi dans un soucis de gain de

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temps une autre technique moins conventionnelle permettant d'obtenir la caracté-ristique du panneau en quelques secondes est présentée ci-après.

1.3.2 Tracé en utilisant la charge d'un condensateur

An de pouvoir balayer (en un temps contrôlé) la caractéristique courant tensiondu dispositif, l'idée est de faire débiter le panneau sur une association condensa-teur/résistance en série et de visualiser à l'oscilloscope l'évolution du courant et dela tension aux bornes du panneau durant la charge.

En eet, les évolutions simultanées et dépendantes du courant et de la tensionlors de la charge de la capacité permettent de balayer intégralement la caractéris-tique électrique en un temps déni par un multiple de la constante τ = RC. Onchoisira par exemple RC = 10s an d'obtenir une durée faible devant l'ordre degrandeur des constantes de temps thermiques (qcq minutes) tout en s'assurant quela caractéristique obtenue correspond bien à un régime statique.

Ensuite, l'ajout d'un interrupteur et d'une résistance de décharge (permettantd'avoir un condensateur déchargé à l'état initial) permettront d'eectuer un relevéà l'oscilloscope en mode "single sequence" et en utilisant des sondes de courant etde tension an de pouvoir ensuite visualiser la caractéristique en mode XY et faireson acquisition sur une disquette.

On peut ainsi obtenir les diérentes courbes observées précédemment par untraitement des données récoltées.

Le montage à réaliser est celui de la gure 1.6 où les valeurs des composantsseront choisies comme expliqué précédemment.

Remarque :La réalisation des mesures par le biais de l'association sondes-oscilloscope est

source d'erreurs dûes à la fois aux oset présents dans les sondes et à la quanticationdes grandeurs par l'oscilloscope utilisé.

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Figure 1.6 Methode de tracé à l'aide d'une capacité

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Chapitre 2

Charge d'une batterie

d'accumulateurs

An de réaliser le stockage de l'énergie électrique (continue) ainsi obtenue, l'utili-sation de batteries est la solution la plus utilisée. Ainsi, nous disposons d'une batteriede 24 Volts que l'on peut considérer comme une source de tension.

Pour l'alimenter, nous réalisons donc un hacheur survolteur et choisissons le pointde fonctionnement optimal en fonction de l'éclairement (cf caractéristiques en puis-sance) que nous règlons via le rapport cyclique.

Le montage obtenu est celui de la gure 2.1 qui permet, comme nous l'avons dé-montré, de stocker l'énergie photonique convertie par le panneau tout en optimisantle rendement du dispositif mais seulement pour un éclairement donné.

Figure 2.1 Montage nal schématique pour la charge d'une batterie d'accumula-teurs

En réalité, il faudrait eectuer le plus souvent possible une recherche du pointde fonctionnement optimal (puisque l'éclairement varie continuement) et régler lerapport cyclique en conséquence. Il s'agit de la technique communément nomméeMPPT (pour MicroPoint Power Tracking) et qui ne sera pas réalisée ici.

En pratique, elle est eectuée par un dispositif autonome qui va régulièrementdéconnecter la charge et venir mesurer très rapidement et intégralement la caracté-ristique en puissance sous l'éclairement actuel. Puis, un algorithme permet la déter-

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mination du point de fonctionnement (tension) correspondant au transfert maximalet enn, un organe de réglage permet d'ajuster le rapport cyclique.

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Conclusion

Nous avons vu au travers de plusieurs manipulation que la maximisation del'ecacité d'un convertisseur photovoltaïque nécessite un organe de calcul capable demodier en temps réel le point de fonctionnement du dispositif puisque l'éclairementsolaire varie constamment.

Ainsi, au coût surfacique des cellules photovoltaïques s'ajoute celui de la com-mande relativement compliquée à mettre en oeuvre (notamment pour ce qui estde la détermination du point de fonctionnement optimal) ce qui peut expliquer enpartie, selon moi, la part minime de ce type de conversion dans le parc énergétiquemondial où la production de masse est plutôt réalisée par des tranches nucléaires.

En eet, la production française d'électricité par conversion photovoltaïque s'éle-vait à 268MW n 2009 (que l'on peut comparer aux 1600MW produits par une seuletranche nucléaire), mais il est à noter une augmentation de près de 225% de ce typede conversion par rapport à 2008 et une production de 5400MW prédite pour 2020.

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