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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
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…
4 / 38
Plan
Contexte et enjeux
Rappels sur la chaîne de conversion photovoltaïque
Problématiques de la chaîne de conversion photovoltaïque
Conclusion générale
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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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8 / 38
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
Rappels sur la chaîne de conversion photovoltaïque
Problématiques de la chaîne de conversion photovoltaïque
Conclusion générale
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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
10 / 38
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)
11 / 38
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
12 / 38
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
13 / 38
Rendement européen
14 / 38
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
Ex. : installation PV raccordée au réseau électrique
Champ PV
ηcapteurs
Réseau de distribution
DC / AC
Compteur de production
ηconversion
Compteur de consommation
Charges ACηinterrupteur
16 / 38
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
17 / 38
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)
18 / 38
Ex. : installation PV raccordée au réseau électrique
DC / AC
ηconversion
Réseau de distribution
Champ PV
ηcapteurs
Compteur de consommation
Charges ACηinterrupteur
Compteur de production
Problématiques de la chaîne de conversion PV
19 / 38
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)
20 / 38
Conversion DC-AC (2/5)
+=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
Conversion DC-AC (3/5)
Marché des onduleurs : tendances actuelles
Source : String and Module Integrated inverters for Single-Phase Grid Connected Photovoltaic Systems. 2003
22 / 38
Conversion DC-AC (3/5)
23 / 38
Conversion mono étage (avec ou sans isolation)
Projet labellisé par le pôle
de compétitivité S2E2
Conversion DC-AC (3/5)
24 / 38
Conversion deux étages (avec ou sans isolation)
De nombreuses technologies…
Conversion DC-AC (4/5)
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
25 / 38
Conversion DC-AC (5/5)
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
Les différentes architectures onduleurs
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
28 / 38
Les différentes architectures onduleurs
Circuit 4 étages + Push-Pull (ex: Soladin 120 η=95,4% 2001)
+: adaptation Ve, gamme Ve↑, MALT
29 / 38
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
30 / 38
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
Puissance totale de 820 W
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
31 / 38
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
32 / 38
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
Puissance totale de 660 W
Puissance totale de 820 W
Puissance totale de 820 W
27 % de pertes
9 % de pertes
27
33 / 38
Ex. : installation PV raccordée au réseau électrique
Compteur de consommation
Charges AC
DC / AC
Réseau de distribution
Champ PV
ηcapteurs ηconversion
Compteur de production
ηinterrupteur
Problématiques de la chaîne de conversion PV
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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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Conclusion générale
37 / 38
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