Revue des systèmes solaires photovoltaiques

REVUE DES SYSTEMES SOLAIRES PHOTOVOLTAIQUES
Mamadou Lamine Doumbia*, Kodjo Agbossou*, Abdoulaye Traoré**
* Université du Québec
Département de génie électrique et de génie informatique
3351 boul. des Forges Trois-Rivières (Québec) Canada G9A 5H7
Email de correspondance: [email protected]
** École Nationale d’Ingénieurs
410 Avenue Van Vollenhoven, B. P 242, Bamako, Mali
1. Introduction
Depuis la fin des années 1990, le marché
du solaire photovoltaïque connaît une
croissance très rapide, plus de 30% par an. Ce
regain d’intérêt pour le photovoltaïque, et en
général envers les énergies renouvelables, est
dû à la prise de conscience mondiale qui
débouche sur la nécessité de revoir les
politiques énergétiques pour lutter contre les
émissions de gaz à effet de serre et pour
prévenir une pénurie énergétique majeure.
Les hausses récentes du prix du pétrole
attestent ce fait : l’énergie est plus que jamais
un enjeu majeur des sociétés modernes. Les
installations photovoltaïques connectées aux
réseaux électriques sont de plus en plus en
fréquentes dans les pays industrialisés, grâce
à des incitations financières ou mesures de
défiscalisation. D’autre part, on estime
qu’actuellement, plus de deux milliards de
personnes ne sont pas reliées à un réseau
électrique [1] et ne le seront pas dans un
avenir proche à cause de questions de
rentabilité liées à l’éloignement, à la faible
densité de population ou à la pauvreté. Pour
ces populations, les systèmes photovoltaïques
autonomes peuvent jouer un rôle très
important en apportant une solution pour
couvrir les besoins de base en électricité.
Dans un pays comme le Mali, où le soleil
brille en abondance et où l'on trouve une
vaste population rurale sans l'infrastructure
nécessaire pour se doter d’un réseau
d'électricité, les systèmes photovoltaïques
141
présentent un attrait certain. Ils sont évolutifs
et donc adaptables aux nouveaux besoins; ils
peuvent produire de l'électricité à l'endroit
même où on en a besoin; ils n’exigent qu’un
entretien minimal; ils ne polluent pas. Ils
conviennent particulièrement bien aux
besoins élémentaires des communautés
rurales : éclairage domestique, alimentation
en énergie des centres de santé ou d’autres
services publics, pompage et purification de
l’eau, etc. Cependant, cette technologie exige
un investissement initial élevé. Aussi, le
rendement de conversion photoélectrique
reste faible. Cet article présente une revue des
technologies solaires photovoltaïques. Une
classification des installations est effectuée.
Les principales composantes des systèmes
autonomes et systèmes connectés au réseau
électrique, sont décrites et comparées.
2. Classification
Les systèmes photovoltaïques peuvent
être divisés en deux catégories (Figure 1) : les
installations
autonomes
« Stand-Alone
Systems » et les installations connectées au
réseau
électrique
« Grid-Connected
Systems ». Les systèmes autonomes peuvent
être sans stockage (fonctionnement au fil du
soleil) ou avec stockage d’énergie. L’élément
de stockage (batteries) ou la source
secondaire fait correspondre la production à
la demande. En général, les batteries de
stockage requièrent un régulateur qui gère
leur état de charge. Ainsi, un système
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photovoltaïque autonome classique avec
stockage, est composé d’un ou plusieurs
modules connectés généralement en parallèle,
d’un régulateur, de batteries et de charges.
Pour des raisons de simplicité, les charges
peuvent être alimentées en courant continu
(cc). Cependant, lorsque les charges exigent
une alimentation en courant alternatif (ca), un
onduleur est utilisé pour assurer la conversion
du courant continu (cc) en courant alternatif
(ca).
Quant
aux
systèmes
photovoltaïques
connectés sur le réseau électrique, ils utilisent
le réseau public d’électricité comme élément
de stockage en y renvoyant le surplus
d’énergie.
Ces
installations
sont
généralement composées : d’un ou plusieurs
modules connectés en série et en parallèle,
d’un onduleur, d’un régulateur, de batteries,
de disjoncteurs cc et ca de protection et de
charges.
Systèmes photovoltaïques
Installations autonomes
sans stockage
avec stockage
Installations connectées au réseau électrique
connexion
directe
hybrides
applications cc
génératrice diesel
applications ca
éolienne
connexion à travers
un réseau résidentiel
Figure 1 : Classification des systèmes photovoltaïques
3. Modules photovoltaïques
Les modules photovoltaïques peuvent être
classifiés selon le type de cellules ou de
matériau d’encapsulation. En général, les
cellules sont faits de silicium cristallin ou de
silicium amorphe.
La technologie du silicium cristallin
représente environ 85% du marché. Cette
technologie se subdivise en deux sousfilières : le silicium monocristallin et le
silicium polycristallin (ou multicristallin).
Elles sont différenciées par le procédé
d’obtention du cristal.
Les modules en silicium amorphe ont une
apparence uniforme (ils ne sont pas découpés
en petites cellules comme le cristallin). Il est
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142
possible de donner un aspect semitransparent en ménageant des petites rayures
entre les bandes de silicium.
Un module photovoltaïque est composé de
cellules (photopiles) connectées en série et en
parallèle. La mise en série des cellules
(Figure 2) permet d’obtenir la tension
nécessaire au fonctionnement du module.
Ainsi, on utilise généralement des modules
qui comportent 32 à 44 cellules pour
alimenter les batteries de 12V. Une tension
d’environ 17V est mesurée aux bornes du
module afin de tenir compte de la chute de
tension dans les conducteurs de câblage. La
mise en parallèle (Figure 3) permet
d’augmenter le courant produit par le
module.
La puissance générée par les modules dépend
de l’ensoleillement et de la température. Lors
du
fonctionnement
du
système
photovoltaïque, la puissance générée par un
module,
est
généralement
différente
(inférieure) de la puissance spécifiée sur la
fiche technique du fabricant. La puissance
indiquée par le fabricant correspond aux
conditions « Standard Test Conditions »
(STC) d’ensoleillement G=1000 W/m2, de
température T= 25°C et de densité de l’air
AM=1.5. Ces conditions sont établies par la
norme
60904
de
la
Commission
électrotechnique internationale (CEI). La CEI
est une organisation mondiale qui a pour
objet
de
favoriser
la
coopération
internationale pour toutes les questions de
normalisation dans les domaines de
l'électricité et de l'électronique. La Norme
internationale CEI 60904 a été élaborée par le
comité d'études 82: Systèmes de conversion
photovoltaïque de l’énergie solaire.
Figure 2 : Caractéristiques courant-tension de
cellules connectées en série [2]
4. Batteries
En général, le stockage de l’énergie dans
les systèmes photovoltaïques autonomes est
assuré par des batteries. Dans ces systèmes,
le stockage de l’énergie représente environ
15% des investissements initiaux, sur une
durée d’exploitation de 20 ans, ce coût peut
atteindre 50% des frais totaux, car il faut
remplacer les batteries plusieurs fois. Les
batteries utilisées dans les installations
autonomes sont en général de type plombacide (Pb). Les batteries cadmium-nickel sont
de moins en moins utilisées à cause de leur
prix plus élevé et la présence du cadmium qui
est toxique. Elles sont de plus en plus
remplacées par des batteries nickel-metalhydrure (NiMH).
4.1
Batterie au plomb
Ce type de batterie comprend deux
électrodes de plomb et d’oxyde de plomb qui
sont plongées dans un électrolyte.
L’électrolyte, constitué d’acide sulfurique
dilué dans de l’eau distillée est un excellent
transporteur d’ions. En reliant les deux
électrodes
à
un
récepteur
externe
consommant du courant, elles se transforment
en sulfate de plomb et l’acide se dilue. En
fournissant un courant inverse au système,
l’acide se concentre et les deux électrodes
reviennent à leurs états initiaux. La charge et
la décharge sont représentées par les
équations chimiques suivantes :
PbO2 + 2 H 2 SO4 + Pb ⇔ 2 PbSO4 + 2 H 2O
A l’électrode négative (cathode) :
Pb + H 2 SO4 ⇔ PbSO4 + 2 H + + 2e −
A l’électrode positive (anode) :
PbO2 + H 2 SO4 + 2 H + + 2e − ⇔ PbSO4 + 2 H 2O
Chaque cellule de batterie fournit une tension
moyenne de 2V. On assemble en
série/parallèle
le
nombre
d’éléments
nécessaires pour obtenir la tension et le
courant désirés. La capacité nominale de la
Figure 3 : Caractéristiques courant-tension de
cellules connectées en parallèle [2]
143
MSAS'2008
Diode
4.2
5. Régulateurs de charge
Régulateur shunt
Ce type de régulateur est le plus répandu.
Durant la charge, le courant du panneau
solaire est envoyé à la batterie (Figure 4).
Lorsque la batterie atteint sa pleine charge, le
courant passe par l’interrupteur de puissance
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144
Charge
Régulateur série
Ce régulateur est de plus en plus
populaire. Dans son circuit, l’interrupteur de
charge est placé en série avec la batterie et
s’ouvre lorsque la fin de charge est atteinte
(Figure 5). L’avantage de cette configuration
est que la tension aux bornes de l’interrupteur
est plus faible (réduite de la tension de la
batterie). Le désavantage par rapport au
régulateur shunt est que la chute de tension
due à la résistance de l’interrupteur s’ajoute à
la chute de tension supplémentaire dans le
câblage entre les panneaux et la batterie.
Le régulateur est un élément important
d’un système photovoltaïque. Il contrôle le
flux d’énergie et protège la batterie contre les
surcharges et décharges profondes. On
distingue trois types : les régulateurs shunt,
les régulateurs série et les régulateurs à
recherche de point de puissance maximum
« Maximum Power Point Tracking »
(MPPT).
5.1
Batterie
5.2
Interrupteur
Diode
Interrupteur
Régulateur
Panneau
solaire
Charge
Batterie au lithium
Les principaux avantages du lithium sont
sa haute densité énergétique et son rendement
de stockage. Les désavantages principaux
sont la fragilité et le danger de destruction en
cas de fonctionnement en dehors des
conditions strictes (température et tension). A
cause de sa complexité et de sa nouveauté,
cette technologie doit encore faire ses
preuves.
Figure 4 : Régulateur shunt
Batterie
4.3
Interrupteur
Panneau
solaire
Interrupteur
Batterie au nickel-metal-hydrure
Cette batterie remplace de plus en plus la
batterie NiCd (nickel-cadmium) qui est
surtout utilisée dans les appareils portables et
dans des applications particulières (sites
d’accès difficile, montagnes, désert, etc.)
demandant des batteries de très longue durée
de vie (15 à 20 ans). Les batteries au NiMH
sont plus chères que celles au plomb.
(transistor bipolaire ou MOSFET). Une diode
est placée entre cet interrupteur et la batterie
pour ne pas court-circuiter la batterie. Cette
diode joue également le rôle de blocage du
courant inverse pouvant circuler de la batterie
vers le panneau.
Régulateur
batterie est la quantité d’ampère-heure (Ah)
qui peut être extraite en un temps donné.
L’état de charge « State of Charge » (SOC)
est la quantité d’électricité encore disponible
en Ah divisée par la capacité nominale de la
batterie. L’état de charge est égal à 1 si la
batterie est pleine, et il égal à zéro, si la
batterie est vide.
Figure 5 : Régulateur série
5.3
Régulateur MPPT
Dans ce régulateur (Figure 6), un circuit
mesure en permanence la tension et le
courant du panneau pour extraire l’énergie au
point de puissance maximale. Ainsi, on peut
obtenir un fonctionnement à puissance
de l’inductance s’inverse, ce qui fait conduire
la diode qui protège l’interrupteur.
Interrupteur
Figure 7 : Hacheur élévateur
Figure 6 : Régulateur MPPT
Batterie
+
6. Convertisseurs
Les convertisseurs sont des dispositifs
électroniques de puissance qui transforment
la tension continue fournie par les panneaux
ou les batteries pour l’adapter à des charges
(appareils) fonctionnant, soit à une tension
continue différente, soit à une tension
alternative.
6.1
Convertisseurs cc/cc
On distingue les convertisseurs type
hacheur élévateur « Boost Converter » et
ceux de type hacheur abaisseur « Buck
Converter ».
A) Hacheur élévateur
Ce type de convertisseur (Figure 7)
produit une tension de sortie plus élevée que
la tension d’entrée. Lorsque l’interrupteur est
fermé, l’inductance se charge ; lorsque
l’interrupteur s’ouvre, l’énergie de la batterie
et celle emmagasinée dans l’inductance, sont
transmises à la charge. Le condensateur sert à
lisser la tension de sortie.
B) Hacheur abaisseur
Ce type de convertisseur (Figure 8) sert à
produire une tension de sortie plus basse que
celle des batteries. Lorsque l’interrupteur est
fermé, le courant circule de la batterie vers le
récepteur à travers l’inductance, lorsque
l’interrupteur s’ouvre, la tension aux bornes
145
Diode
Inductance
Charge
Interrupteur
Condensateur
Charge
Batterie
_
Régulateur
MPPT
Convertisseur
cc-cc
Condensateur
+
Interrupteur
Panneau
solaire
Diode
Charge
Inductance
Batterie
maximale quels que soient la température et
l’ensoleillement. Cette technique est surtout
recommandée pour les systèmes de plusieurs
centaines de watts pour que le gain d’énergie
compense le coût plus élevé du régulateur
[3].
_
Figure 8 : Hacheur abaisseur
6.2
Onduleurs autonomes
Lorsque
les
charges
(appareils)
alimentées sont en courant alternatif (ca), il
faut intégrer un onduleur au système
photovoltaïque. L’onduleur convertit la sortie
cc du champ photovoltaïque ou des batteries
en électricité ca standard, semblable à ce que
fournissent les services publics. Il existe trois
types d’onduleurs autonomes qui se
distinguent par l’onde ca de sortie qu’ils
produisent. Cette onde peut être : carrée,
pseudo-sinusoïdale et sinusoïdale pure.
A) Onduleur à onde carrée
L’onduleur à onde carrée est la plus
simple. Il est peu coûteux et effectue
simplement la commutation de l’entrée cc en
une sortie ca « carrée ». Le signal carré
généré contient des harmoniques susceptibles
de causer l’échauffement des charges. Ce
type d’onduleur convient aux petites charges
de chauffage par effet Joule et aux systèmes
d’éclairage pour lesquels on ne peut utiliser
de matériel cc.
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C) Onduleur à onde sinusoïdale pure
L’onduleur à onde sinusoïdale pure,
utilise généralement la modulation de largeur
d’impulsions (MLI) et filtre bien la sortie des
transformateurs pour en éliminer la majorité
des harmoniques indésirables (selon les
normes, le taux de distorsion harmoniques
doit être inférieur à 5%). En règle générale, il
convient lorsque la charge exige une forme
d’onde de grande qualité, telle l’onde
nécessaire à des appareils de commutation
électroniques
sensibles.
Les
semiconducteurs de puissance utilisés dans ces
onduleurs sont généralement commandés par
des signaux issus d’une comparaison entre
une onde sinusoïdale et une onde triangulaire
(porteuse).
Pour alimenter une habitation autonome, le
système choisi peut être hybride et incorporé
une génératrice diesel auxiliaire qui suppléera
au manque de soleil. Dans ce cas, il est plus
intéressant d’utiliser un onduleur/chargeur
qui fonctionne en chargeur de batterie lorsque
la génératrice fonctionne.
Onduleurs pour couplage au réseau
Pendant de nombreuses années, les
systèmes photovoltaïques utilisaient des
onduleurs centraux pour la connexion aux
réseaux électriques (Figure 9). Ces onduleurs
sont synchronisés au réseau électrique et
incorporent
des
caractéristiques
de
surveillance de tension, de fréquence et de
déconnexion automatique en cas d’absence
du réseau. Ils génèrent très peu
d’harmoniques. La plupart utilisent un
transformateur pour assurer une séparation
galvanique avec le réseau, ce qui permet
d’isoler les panneaux du réseau électrique.
Certains fabricants d’onduleurs renoncent à
la séparation galvanique par transformateur
pour améliorer le rendement (~2%). Dans ces
cas, le câblage des panneaux doit être fait
avec précautions afin d’éviter tout problème
de liaison directe au réseau électrique.
Onduleur
central
cc
Figure 9 : Onduleur central
Depuis quelques années, les onduleurs
décentralisés ont fait leur apparition. Les
onduleurs de type « string » sont branchés sur
un ensemble de modules photovoltaïques
connectés en série ou en parallèle selon la
tension et le courant désirés (Figure 10).
6.3
MSAS'2008
146
ca
Rangées de panneaux solaires
B) Onduleur à onde pseudo-sinusoïdale
L’onduleur à onde pseudo-sinusoïdale
produit des séquences de tension positive et
négative avec des passages par zéro qui
réduisent les harmoniques par rapport à
l’onde carrée. Cet onduleur peut bien faire
fonctionner différents types de charges, mais
peut causer certains problèmes avec les
équipements électroniques sensibles.
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
Onduleurs
ca
Figure 10 : Onduleurs décentralisés « string »
Dans le cas des onduleurs modulaires, chaque
module photovoltaïque est connecté sur un
onduleur (Figure 11). Les systèmes de ce
type présentent l’avantage d’être facile à
agrandir. Cependant, le coût de l’onduleur
reste le principal facteur limitatif.
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
cc/
ca
autonomes et systèmes connectés au réseau,
sont décrites et comparées. Les dernières
tendances technologiques des onduleurs
connectés au réseau sont également exposées.
Références
[1] Anne Labouret, Michel Villoz, Énergie
solaire photovoltaïque, 3e édition,
Editions Lemoniteur, Dunod, 2006.
[2] The German Solar Energy Society
(DGS),
Planning
and
Installing
Photovoltaic Systems : A guide for
installers, architects and engineers, 2005.
[3] T. Tafticht, K. Agbossou, M.L. Doumbia,
A. Cheriti, “ An improved maximum
power point tracking method for
photovoltaic
systems”,
Elsevier,
Renewable Energy 33 (2008), 1508–
1516.
ca
Figure 11 : Onduleurs décentralisés modulaires
7. Conclusion
Dans cet article nous avons présenté une
revue des systèmes solaires photovoltaïques.
Les principales composantes des systèmes
147
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