La conversion d’énergie dans les systèmes photovoltaïque A. SCHELLMANNS, Maîtres de conférences à l’Université de Tours Responsable de département à Polytech Tours [email protected] Congrès ASPROM – 24-25 novembre 2010 Plan Contexte et enjeux Rappels sur la chaîne de conversion photovoltaïque Problématiques de la chaîne de conversion photovoltaïque Conclusion générale 2 / 38 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) 3 / 38 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 5 / 38 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) Gestion de l’énergie au sein d’architectures complexes ? 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 6 / 38 Exemple d’installation Générateur photovoltaïque raccordé au réseau Générateur photovoltaïque en site isolé Solution hybride: Générateur photovoltaïque avec revente du surplus 7 / 38 Evolution de la puissance PV installée dans le monde EPIA - European Photovoltaic Industry Association - Global Market Outlook for photovoltaics until 2013 - Belgique, 2008 8 / 38 Plan Contexte et enjeux Rappels sur la chaîne de conversion photovoltaïque Problématiques de la chaîne de conversion photovoltaïque Energie reçue Paris = 1100 kWh/m2 Conclusion générale 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… 9 / 38 Le WattPlan crête (Wc) 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… 10 / 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 11 / 38 Caractéristiques I(V) en fonction de la température 6 5 I (A) 4 0°C 25°C 3 50°C 2 75°C 1 0 0 5 10 15 20 25 V (V) Ca ne va pas dans le bon sens… 12 / 38 Problème d’inclinaison 13 / 38 Rendement européen 14 / 38 Rappels sur la chaîne de conversion PV Ex. : installation PV raccordée au réseau électrique ηcapteurs Champ PV Réseau de distribution ηinterrupteur Charges AC ηconversion DC / AC Compteur de production Compteur de consommation 15 / 38 Problématiques de la chaîne de conversion PV Ex. : installation PV raccordée au réseau électrique ηcapteurs Champ PV Réseau de distribution ηinterrupteur Charges AC ηconversion DC / AC Compteur de production Compteur de consommation 16 / 38 Intermittence du gisement solaire + ombrages (1/2) I V 200 500 160 400 120 300 80 200 40 100 0 1 3 5 7 9 11 0 Heures de soleil/mois kW.h/m2/mois Tours : en moyenne 1240 kW.h/m2/an Mois Générateur PV non-linéaire « I » proportionnel à l’éclairement Courant (A) 1 kW/m² 200 W/m² Tension (V) 17 / 38 Intermittence du gisement solaire + ombrages (2/2) I V 200 500 160 400 120 300 80 200 40 100 0 1 3 5 7 9 11 0 Heures de soleil/mois kW.h/m2/mois Tours : en moyenne 1240 kW.h/m2/an Mois « MMP » = Max. Power Point Puissance (W) 1 kW/m² La charge des modules PV doit rechercher le meilleurdepoint de fonctionnement du système P = V × I dépend l’impédance de la 200 W/m² charge Tension (V) 18 / 38 Problématiques de la chaîne de conversion PV Ex. : installation PV raccordée au réseau électrique ηcapteurs Champ PV Réseau de distribution ηinterrupteur Charges AC ηconversion DC / AC Compteur de production Compteur de consommation 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 Projet labellisé par le pôle de compétitivité S2E2 Différentes topologies DC/AC Onduleur Central 3 kVA – 5 kVA + DC AC Onduleur : - Conversion DC/AC - Mise en forme courant AC - Surveillance réseau - Norme VDE 0126 DC/AC Onduleur multi-rangée (multi-string) 1 kVA – 10 kVA Onduleur individuel (integrated) 400 VA – 500 VA 21 / 38 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) Conversion mono étage (avec ou sans isolation) Projet labellisé par le pôle de compétitivité S2E2 23 / 38 Conversion DC-AC (3/5) Conversion deux étages (avec ou sans isolation) De nombreuses technologies… 24 / 38 Conversion DC-AC (4/5) Architectures d’onduleurs : structure simple utilisant un pont de transistors + Transformateur 50 Hz + Ajustement tension réseau + Isolation galvanique - Encombrement 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) 25 / 38 Conversion DC-AC (5/5) Architectures d’onduleurs : circuit 3 étages avec transformateur HF + Conversion AC/DC BUS DC Transformateur HF + Adaptation tension d’entrée + Réduction poids onduleur 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 photovoltaïques Technologie 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 DC - AC Courant total généré 8,8 A 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 0,8 A 4A 4A MPPT "4A" " 25 V " "4A" " 25 V " "4A" " 25 V " " 0,8 A " " 25 V " "4A" " 25 V " "4A" " 25 V " "4A" " 25 V " "4A" " 25 V " "4A" " 25 V " String 1 String 2 String 3 30 / 38 Ombrage des panneaux photovoltaïques Technologie 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 DC - AC 32,8 A 12 A 12 A 8,8 A MPPT Puissance totale de 820 W " 0,8 A " " 25 V " "4A" " 25 V " String 1 Les panneaux doivent avoir la même tension "4A" " 25 V " "4A" " 25 V " "4A" " 25 V " String 2 "4A" " 25 V " "4A" " 25 V " "4A" " 25 V " "4A" " 25 V " String 3 31 / 38 Ombrage des panneaux photovoltaïques Technologie 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 Influence de l’ombrage sur l’efficacité énergétique des PV 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 Puissance totale de 660 W 27 27 % de pertes 3 string de 3 en parallèle PV 1 panneau à l’ombre Puissance du string vaut P = 20 + 2 x 100 = 220 W Puissance totale de 820 W 2ème cas: Système à micro – inverter 1 panneau à l’ombre Puissance du module vaut P = 20 + 2 x 100 = 220 W 9 % de pertes Puissance totale de 820 W 33 / 38 Problématiques de la chaîne de conversion PV Ex. : installation PV raccordée au réseau électrique ηcapteurs Champ PV Réseau de distribution ηinterrupteur Charges AC ηconversion DC / AC Compteur de production Compteur de consommation 34 / 38 Nouvelles topologies d’interrupteurs AC (1/2) 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 Dop (at.cm-3) I N+ N+ Collecteur Base Emetteur SOI /N-VLD SOI SiO2 P-+ P+ + PP+ P- P P- V SOI SOI/N-VLD NN+ + SiO 2 Substrat Si Substrat Si 35 / 38 Nouvelles topologies d’interrupteurs AC (2/2) Approche discrète : exemple de réalisation Courant nominal IC Transistor 600 V Diode 600 V Commande en Courant Diode 600 V Transistor 600 V ISIS 01 Assemblage de transistors et de diodes à faible VF 36 / 38 Conclusion générale VCC GND VCC VCC R1 1.2k VCC C1 22n R10 XX R4 1Meg 1 SYNCHRO PULSE OUT 2 4 Q R8 1M 7 SW3 Mono pulse / Phase control 3 J1 SYNCHRO PULSE OUT 4 D1 BAT46 5 VCC CX RC R5 XX R6 470k U2B CD4538B 6 15 VCC RST A B Q 13 12 D3 Phase Control ON 8 C9 100p R15 10k 9 11 sy nchro 50Hz sy nchro 100Hz D9 D1N4148 D2 Mono pulse ON GND J5 F1 U3 L78M10CV D CLK Q C12 1000µ/25V 12 4 10 9 OUT1 OUT2 TP1 A 10 J2 A TP2 OUT GND VCC C11 100n GND J3 Q1 2N2222 R16 10k Q2 2N2222 D6 ON J4 SYNCHRO 50Hz R22 47k C13 100p R21 XX VCC R18 OUT1 GND D7 D1N4148 A1 A2 G G OUT POS/NEG OUT2 R19 120 R20 XX Q3 2N2907 9V GND 13 115V Q 13 1.5k 11 A B 12 sy nchro 50Hz R17 820 C10 330n T1 6 5 115V J6 A1 G A2 SW5 GND 9V 3 Q VCC OUT + 500mA MAINS Q RST TP4 IN DIODE BRIDGE D4 - RC GND GND D5 1N4007 TP3 MAINS SW6 POWER ON/OFF CX U1B CD4013A GND SW4 Phase control ON/OFF R13 820 11 GND R14 820 GND 14 7 D8 D1N4148 GND C3 220n SW2 Range GND Q 8 R12 20k C5 100n U2A CD4538B C6 33n 16 GND 1 2 VCC SET CLK Q SET C8 1µ D GND 3 RESET R11 100k R9 20K VCC 5 1k R3 XX U1A CD4013A 14 RESET R7 6 GND GND C7 1µ C2 1u R2 1.2k VCC C4 100n SW1 PULSE TP5 K 14 VCC TRANSFORMER 2x115V/2x9V R23 1.5k R24 10k sy nchro 100Hz Q4 2N2222 TP6 MAINS R25 4.7k J7 K Outils de CAO J8 SYNCHRO 100Hz C14 10n Définition des masques Réalisations technologiques Besoins & Applications Approche système Caractérisations Outil de simulation PVSyst… Matlab.. Approche système 37 / 38 Modélisation de la production photovoltaïque kWh /an ηPV Pe ηconv Considéré fixe (attention aux variations de températures: -0.4% / °>25°C) Ps Dépendant du Pt. De fonctionnement E ηPV X X ηconv = f(PPV) = kWh1 /an J F MA MJ J A S ON D Si ombrage (important pour les faibles élévations) E X ηPV X ηconv = f(PPV) = kWh2 /an < kWh1 /an J F MA MJ J A S ON D 38 / 38 Perspectives : - Conversion d’énergie (architecture…) - Développement d’outils de simulation de production solaire Attention de nombreuses approximations qui peuvent ne pas être négligeable… Ombrage, température, vent… 39 / 39