Énergie photovoltaïque Kamal Al-Haddad, Ph.D., P. Eng. FCAE, FIEEE Professeur et titulaire de la chaire de recherche du Canada Conversion de l’énergie électrique et électronique de puissance Directeur groupe de recherche GRÉPCI Département de génie électrique Plan de la présentation Généralités sur les principales énergies existant sur la terre Phénomène photovoltaïque Dopage et niveau d’énergie Rendement d’une cellule Circuits équivalents d’une cellule photovoltaïque Assemblage d’un module photovoltaïque Circuits de base du convertisseur DC/DC Point de fonctionnement Fonctionnement avec MPPT Système autonome/relié au réseau électrique Exemple d’implantation dans matlab Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 2 Généralités sur les principales énergies existant Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 3 ENERGIES RENOUVELABLES 1. Une énergie renouvelable comme son nom l’indique est une source d’énergie qui se renouvelle constamment suivant un cycle naturel bien défini pour être considérée comme inépuisable. 2. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers ou constants provoqués par le système solaire. Elle sont créer principalement par Soleil (rayonnement), mais aussi les autres planètes par exemple: la Terre (énergie géothermique), la Lune (marée) , le vent (puissance éolienne) . Ces énergies sont considérée propre car elles sont utilisables sans émission de CO2 et elle sont inépuisables donc renouvelables 4 Énergie solaire exemple d’utilisation: Chauffe eau solaire (panneaux solaires à collecteur) Il faut utiliser de l’électricité pour le pompage 5 Centrales électriques thermiques solaires (miroirs paraboliques ou cylindroparaboliques) Déjà dans l’antiquité, les Grecs allumaient la flamme des Jeux olympiques à l’aide d’un miroir parabolique (skafia) 6 Centrales électriques thermiques solaires (miroirs plans) Puissance qui peut atteindre 150MW (californie « solar two ») Fours solaires (ici four d’Odeillo dans les Pyrénées-Orientales) Température qui peut atteindre 3800°C ⇒ traitement thermique de certains matériaux – puissance 1000kW 7 Énergie hydraulique : • L'énergie hydraulique est l’énergie mise en jeu lors du déplacement ou de l'accumulation d'un fluide incompressible telle que l'eau douce ou l'eau de mer. • Ce déplacement va produire un travail mécanique qui est utilisé directement ou converti sous forme d'électricité. Applications : Celle-ci est donc utilisée dans les barrages pour permettre de produire de l’électricité, mais aussi dans la mer avec l’énergie marémotrice, l’énergie des vagues et l’énergie hydrolienne qui utilisent la puissance due aux déplacements de l'eau de mer pour faire tourner des turbines et entraîner ainsi des alternateurs. 8 Usine marémotrice (de la Rance en Bretagne) : qui utilise l’énergie due aux marées Hydroliennes : qui utilisent la force des courants marins La + grande au monde Puissance 240MW Barrage hydraulique 9 Énergie éolienne : Elle utilise la force du vent. Celui-ci est dû à des différences de pressions atmosphériques locales qui proviennent de différences d'échauffement de l'air par le soleil. 10 Énergie de la biomasse : La biomasse (ensemble de la matière végétale) est une véritable réserve d’énergie, captée à partir du soleil grâce à la photosynthèse. (processus biologique au cours duquel les végétaux utilisent, grâce à l'énergie lumineuse, le gaz carbonique et l'eau pour produire des sucres (amidons notamment) et rejeter de l'oxygène). Combustion de résidus forestiers dans une chaudière Production d’énergie par Fermentation (méthanisation) : production de biogaz ou biocarburants 2 grandes tours de biométhanisation, production du biogaz à partir de la partie organique des déchets 11 Énergie géothermique : La géothermie consiste à capter la chaleur contenue dans la croûte terrestre pour produire du chauffage ou de l’électricité. Centrale géothermique en Islande Applications suivant la profondeur : • Production d’électricité (en France centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe qui permet l’alimentation de 9% de besoins de l’île) • Réseaux de chauffage urbain • Chauffage et climatisation individuelle 12 Centrale nucléaire : Une centrale nucléaire produit de l'énergie électrique en utilisant la fission nucléaire pour produire la chaleur nécessaire à la production de l’électricité. Elle utilise pour cela la chaleur libérée par l'uranium qui constitue le "combustible nucléaire". L'objectif est de faire chauffer de l'eau afin d'obtenir de la vapeur. La pression de la vapeur permet de faire tourner à grande vitesse une turbine, laquelle entraîne un alternateur qui produit de l'électricité. (principe similaire à celui d’une centrale thermique) 13 Centrale nucléaire de ST Alban du Rhône (Isère - 50km de Lyon) Mise en service : 1985 2 réacteurs de 1300MW Produit en moyenne par an 16 milliard de kWh soit par an l’énergie consommée par 11 villes comme Lyon. 14 Phénomène photovoltaïque Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 15 Cellules photovoltaïques La cellule photovoltaïque est composée d’un matériau semi-conducteur qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique Exemple de cellule photovoltaïque de Exemple de cellule photovoltaïque de première génération jonction p-n deuxième génération, couche mince Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 16 Panneau solaire : Fabrication des modules Le silicium est placé dans un creuset Il est fondu (temp : 1430°C) en lingot Le lingot est découpé en briques L’énergie nécessaire à la fabrication d’un module représente 10% de l’énergie que ce module produira pendant sa vie Les cellules sont assemblées pour constituer un module et encapsulées dans du plastique Les plaques sont transformées en cellules (dopage bore + phosphore,couche antireflets, contact métalliques) Les briques sont découpées en plaques 17 Applications : 1 m² de cellules photovoltaïques délivre une puissance d'environ 100 à 200 W. 18 Comment la cellule photovoltaïque produit de l’électricité La cellule photovoltaïque permet la conversion directe de l'énergie lumineuse en énergie électrique. Son principe de fonctionnement repose sur l'effet photovoltaïque. 19 19 Énergie photovoltaïque et centrale photovoltaïque: Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque absorption des photons contact sur zone N zone dopée N semi-conducteur zone dopée P génération des porteurs I collecte des porteurs contact sur zone P 20 Dopage et niveau d’énergie Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 21 Dopage des semi-conducteurs • Pour doper un semi-conducteur, on introduit des impuretés dans sa structure, qui vont créer un surplus de charges positives (couche P du semi-conducteur) ou négatives (couche N du semi-conducteur). • Lorsque l’on effectue deux dopages différents (type N et type P) de part et d’autre de la cellule, il en résulte un champ électrique constant créé par la présence d’ions fixes positifs et négatifs. • Le champ électrique permet aux électrons de circuler uniquement dans une direction, on parle alors de diode photoélectrique. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 22 1ère génération • Les cellules de première génération sont basées sur une seule jonction p-n et utilisent généralement le silicium sous forme cristalline comme matériau semi-conducteur. • La méthode de production basée sur les wafers (tranche assez fine) de silicium est très énergivore et donc très chère. Elle nécessite par ailleurs un silicium d'une grande pureté. • On différencie également les cellules à base de silicium monocristallin et polycristallin. • Ces dernières ont un rendement inférieur par rapport aux premières, mais ont un coût de fabrication moins élevé. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 23 2ème génération • Les couches minces ("thin films") constituent la seconde génération de technologie photovoltaïque. • Dans cette génération, on distingue le silicium amorphe (a-Si), le disélénium de cuivre indium (CIS), le tellurure de cadmium (CdTe), entre autres. • Dans le cas de couches minces, la couche de semiconducteur est directement déposée sur un substrat (par exemple du verre). • La production de ce type de cellules est moins coûteux que la première génération puisqu'elle consomme moins de matériau semi-conducteur et ne nécessite pas de passer par l'étape de transformation du silicium en "wafers". Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 24 2ème génération(suite) • Le problème des cellules de seconde génération est leur rendement moindre (6-7% et 14% en labo) et la toxicité de certains éléments (cadmium) pour leur fabrication. • Cependant, cette seconde génération a beaucoup d'avantages pour des marchés de niche comme les applications en modules flexibles, avec de faibles illuminations ou avec des températures élevées. • Le disélénium de cuivre Indium (CIS) qui est au stade de la production industrielle et offre un rendement de 10 à 12 % pour ses modules commerciaux ne présente pas les problèmes de toxicité du cadmium. • Les réductions de coût attendues à moyen terme pour cette technologie sont donc très prometteuses. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 25 3ème génération • La troisième génération vise à passer la limite maximale de rendement des cellules actuelles, qui est d'environ 30%. • Plusieurs concepts sont envisagés pour atteindre cet objectif : – superposition de multiples cellules à concentration (utilisant des bandes d'énergie différentes) – utilisation des photons à basse énergie qui ne sont habituellement pas absorbés par la cellule – cellules à électrons chauds produisant plus de pairs électron/trou pour des énergies supérieures à la bande d'énergie – Conversion des photons pour ajuster le spectre de la lumière solaire aux caractéristiques du semi-conducteur. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 26 Diode (Jonction P-N) Caractéristiques courant-tension d’une diode Particularité des longueurs d’onde • Le soleil émet des particules, appelées photons, en très grandes quantités c'est le rayonnement solaire. Ces flux de photons qu'on appelle également radiations ou rayons, voyagent dans l'espace à la vitesse de 300 000 km/s et atteignent la terre à différentes longueurs d'ondes. • On distingue par leur longueur d'onde les différents types de rayons: c'est le spectre solaire. • Les rayons de longueur d'ondes très courtes (les rayons x, gamma), extrêmement dangereux, sont heureusement arrêtés dès les couches supérieures de l'atmosphère. • Les rayons de longueur d'onde très longues (ondes radio) sont très faibles à la surfaces de terre. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 28 • Les Ultraviolets (UV), de 200 nm à 400 nm, invisibles, sans échauffer, provoquent des dommages sur les cellules • La Lumière visible, de longueur d’onde 400 à 800 nm. ils nous permettent de distinguer les formes et les couleurs • Les Infrarouges (IR), de 800 à 1400 nm, invisibles, chauffent la matière solide ou gazeuse qu'ils rencontrent. Mesure Unité SI value of unit Energie eV Kamal Al-Haddad ENR-810 1.60210−19 J Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 29 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 30 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 31 Lorsqu’une onde électromagnétique se propage dans le vide, sa vitesse est égale à la vitesse de la lumière c dans le vide, on a donc : où : Lambda est la longueur d’onde dans le vide de l’onde ; c est la vitesse de la lumière (≈3×108 m/s) ; v est la fréquence de l’onde Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 32 Fréquences et longueur d’ondes Longueur d’onde (dans le vide) Domaine Fréquence supérieure à 10 m radio inférieure à 30 MHz de 1 mm à 30 cm micro-onde (Wi-Fi, téléphones portables, radar, etc.) de 300 MHz à 1 GHz de 780 nm à 500 µm infrarouge norme NF/en 1836 de 385 Thz à 600 GHz de 380 nm à 780 nm lumière visible de 789 THz à 385 THz de 10 nm à 380 nm ultraviolet de 30 PHz à 789 THz de 10 pm à 10 nm rayon X de 30 EHz à 30 PHz inférieure à 10 pm rayon γ supérieure à 30 EHz Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP Commentaire incluse dans les ondes radio rouge (620-780 nm) orange (592620 nm) jaune (578-592 nm) vert (500-578 nm) bleu (446-500 nm) violet (380-446 nm) 33 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 34 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 35 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 36 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 37 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 38 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 39 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 40 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 41 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 42 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 43 - Dans un semi-conducteur un courant électrique est favorisé par deux types de porteurs: les électrons (porteurs négatifs) et les trous (porteurs positifs). - Dopage N: excès d'électrons porteurs dans le semi-conducteur. - Dopage P: excès de trous (déficit d’électrons) dans le semi-conducteur. - Jonction PN: Jonction PN polarisée en direct Jonction PN polarisée en inverse Rendement d’une cellule Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 45 Rendement d’une cellule Source : Systèmes Solaires – hors série spécial recherche solaire – juillet 2006 Type Rendement cellule (en labo) Module (en lab o) Module (commercial) Niveau de développement 1ère génération Silicium monocristallin 24,70% 22,70% 12-20% Production industrielle Silicium polycristallin 20,30% 16,20% 11-15% Production industrielle 2ème génération Silicium amorphe 13,40% Silicium cristallin en couche mince CIS 19,30% CdTe 16,70% Kamal Al-Haddad ENR-810 10,40% 5-9% Production industrielle 9,40% 7% Production industrielle 13,50% 9-11 % Production industrielle 6-9% Prêt pour la production Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 46 Exemple de calcul de rendement d’un module photovoltaïque 1-Le rendement d’un module est donc égal à sa puissance crête par m² (en W/m²) divisé par 1000 W/m². Exemple: Si un panneau de 200 Wc a une superficie de 1,6 m². Sa puissance crête par m² est donc égale à 200/1,6, soit 125 Wc/m². Le rendement de ce panneau peut être calculé ainsi: 125/1000 = 12,5 % 2-un champ phovoltaïque étalé sur 300m par 1000m utilisant des cellules commerciaux types polycristallins. Calculer la puissance en W fournie par le champ La surface du champ est 300m*1000m=300 000 m2 Si le rendement des cellules commerciaux est de 11% Chaque m2 génère alors 110 watts crête par mètre carré La puissance fournie par le champs sera: 300000*110=33,000,000 = 33 MW Kamal Al-Haddad ENR-810q Si le coût du watt est de 0.5$, alors le coût du champ est 16.5 M$ Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 47 Exemple 2-un champ photovoltaïque étalé sur 300m par 1000m utilisant des cellules commerciaux types polycristallins. Calculer la puissance en W fournie par le champ La surface du champ est 300m*1000m=300 000 m2 Si le rendement des cellules commerciaux est de 11% Chaque m2 génère alors 110 watts crête par mètre carré La puissance fournie par le champs sera: 300000*110=33,000,000 = 33 MW Si le coût du watt est de 0.5$, alors le coût du champ est 16.5 M$ Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 48 Circuits équivalents d’une cellule photovoltaïque Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 49 La jonction PN Caractéristiques d’une diode à jonction p-n permettant le passage d’un courant unidirectionnel de p vers n I0 = Courant inverse de saturation en A Id = Courant traversant la diode en A Vd = Chute de tension directe en V Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 50 L’équation du courant dans la diode est: Id=I0(eqVd/KT - 1); où qVd/KT = (Vd/T)*(1.60210-19/1.381 10-23 ) q = quantité des charges 1.602*10-19 C k = constante de Boltzmann = 1.381*10-23 J/°K T = température de la jonction en degré °K, [°C] = [K] − 273.15 Id=I0(eqVd/AKT - 1) ; où A est un facteur de mécanisme a savoir diffusion ou bien recombinaison, A=2 propriété des diodes Schottky Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 51 Exemple: Une diode à utilisation générale du type PN opérant à 25 degrés Celsius et a un courant inverse de 10-9A. Calculer la chute de tension directe si le courant qui la traverse = 1A. Quelle sera Vd si le courant directe est devenu égale à 10 A. Réponse Id=I0(eqVd/KT -1) Vd = (KT/q) [ln(Id/Io + 1)] = (1,381*10-23*(25+273) /(1,602*1019)[ln(1/10-9 + 1] = 0.558 V Si Id = 10A, Vd sera alors = 0.592 V Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 52 Paramètres d’une cellule photovoltaïque réelle RS iD i SC RP i PV vPV Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque réelle Les paramètres à définir sont : •Tension en circuit ouvert (VOC) •Courant de court-circuit (ISC) •Puissance maximale PMAX •Courant IMP à PMAX •Tension V MP à PMAX •Facteur de forme (FF) •Résistance parallèle (RP) •Résistance séries (RS) •Rendement maximale (ηMAX) •Maximun Point power Tracking (MPPT) 53 •Courant de court-circuit (ISC) Il s’agit du courant obtenu en court-circuitant les bornes de la cellule (en prenant V= 0, dans le schéma équivalent). Il croît linéairement avec l’intensité d’illumination de la cellule et dépend de la surface éclairée, de la longueur d’onde du rayonnement, de la mobilité des porteurs et de la température. I (à V=0) = ISC 54 • Tension en circuit ouvert (VOC) La tension en circuit ouvert est obtenue quand le courant qui traverse la cellule est nul. Elle dépend de la barrière d’énergie et de la résistance shunt. Elle décroît avec la température et varie peu avec l’intensité lumineuse V (à I=0) = VOC • Puissance maximale (PMAX), Courant à PMAX (IMP), Voltage à VMP La puissance produite par une cellule en Watts peut être facilement calculée en utilisant le produit P=IV. Aux points du courant ISC et de la tension VOC, la puissance serait nulle et la valeur maximale se produira entre les deux. La tension et le courant au point de la puissance maximale sont notés VMP et IMP respectivement. 55 Facteur de forme (FF) Le facteur de forme (FF) est essentiel pour mesurer la qualité d’une cellule solaire. Il est calculé en comparant la puissance maximale à la puissance théorique (PT) qui serait la sortie pour un circuit ouvert et pour un court-circuit ensemble. FF peut aussi être interpréter graphiquement comme le rapport de la surface rectangulaire montrée à la figure 5. • Une valeur large du facteur de forme factor est désirable, et correspond pour une courbe I-V qui a une forme d’un carré. • Typiquement le facteur de forme varie de 0.5 to 0.82. Le facteur de forme est aussi souvent représenté par un pourcentage. 56 Rendement Le rendement est le rapport de la puissance électrique à la sortie Pout, sur la puissance disponible sur la surface de la cellule photovoltaïque (puissance d’entrée) Pin. Pout peut être prise comme PMAX du moment que la cellule photovoltaïque pourra être opérée à cette puissance maximale pour avoir un rendement maximal. La puissance d’entrée Pin est prise comme le produit de l’ensoleillement (irradiance) mesuré en W/m2 ou le soleil fournit (1000 W/m2). Le rendement maximal (ηMAX) calculé n’est pas le seul indicateur de la performance du module ou de la cellule sous test, tous les paramètres de la courbe I-V seront aussi affectés par des conditions ambiantes comme la température, le niveau d’éclairage. Il est recommandé de tester et de comparer Les modules PV en utilisant les mêmes conditions (température, éclairage,…). 57 Exemple de calcul de rendement Le rendement d’un module est donc égal à sa puissance crête fournie par m² (en W/m²) divisée par l’irradiance 1000 W/m². Exemple: un panneau de 200 Wc a une superficie de 1,6 m², sa puissance crête par m² est donc de 200/1,6, soit 125 Wc/m². Le rendement de ce panneau est donc de : 125/1000 = 12,5 % 58 Résistance parallèle La résistance parallèle (ou shunt) caractérise les pertes par recombinaison des porteurs dues aux défauts structurales du matériau épaisseurs des régions N et P et de la zone de charges d’espace. L’existence de fissures et de défauts de structures complexes devient le siège de phénomène physique assimilable aussi à une résistance parallèle RP. L’ordre de grandeur de la résistance parallèle pour une cellule au Si : RP = 100 Ω à 100 kΩ. La résistance shunt RP modélise les courants parasites qui traversent la cellule. 59 Influence de la variation de Rsh sur la caractéristique I-V d’une cellule •Résistance série La résistance série caractérise les pertes par effets Joule de la résistance propre du semi conducteur et les pertes à travers les grilles de collectes et les mauvais contacts ohmiques de la cellule. Les contacts semi conducteur-électrodes à résistance élevée abaissent appréciablement la tension et le courant de sortie ce qui va limiter le rendement de conversion. La résistance série RS modélise les pertes ohmiques du matériau. 60 •Comportement d’une cellule photovoltaïque sans lumière Si la cellule photovoltaïque n’est pas soumise à aucun éclairage, la courbe ci-dessous montre le résultat obtenu. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 61 Effet de la température sur le comportement de la cellule photovoltaïque La Figure ci-dessous montre l’effet de la température sur la caractéristique de la courbe I-V. Quand la cellule photovoltaïque est exposée à de hautes températures, ISC augmente légèrement, alors que VOC présente une diminution assez significative. Fig. 9 – Effet de la température sur la courbe I-V 62 Modèle incluant la résistance série 63 Les effets de la chaleur Kyocera 120 W, multicrystal module de silicium En observant les courbes, on peut constater que : Quand la température augmente, la tension en circuit ouvert Voc diminue rapidement alors que le courant de court circuit augmente légèrement. Les cellules photovoltaïque performent mieux à basse température et sans nuage. Pour le silicium cristallin, Voc diminue de 0.37% pour chaque augmentation de 1 degré Celsius et Isc augmente approximativement de 0.05%. Conséquences: MPPT se déplace vers le haut et à gauche sur le courbe I=f(v) La puissance diminue de 0.5% pour chaque augmentation d’un degré C. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 64 Impact de la température (suite) La température des cellules varie, à cause du changement de la température ambiante, mais aussi à cause du niveau de radiation. Seulement une partie des photons sert pour la production de l’énergie. La majeure partie de l’énergie reçue est convertie en chaleur. NOCT: Nominal Operating Cell Température, Le NOCT est définie pour une température d’opération de 20 degrés C, d’une radiation de 800 W/m2, et à une vitesse du vent de 1m/s Tcell = Tamb+ [(NOCT-20 )/0.8]*S Tcell = température des cellulles Tamb = température ambiante S = radiation solaire kW/m2 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 65 Exemple de calcul Estimer la température des cellules, Voc, et Pmax, pour un module de type 150 W BP2150S dans les conditions suivantes: S =1, Tamb= 30 degrés C, et un NOCT de 47 degrés Solution Pour un S= 1kW/m2, Tcell = Tamb+ [(NOCT-20 )/0.8]*S Tcell = 30 + [(47-20)/0.8]*1 = 64 degrés Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 66 Solution Calcul de Voc D’après la table, Voc = 42.8 V, or Voc diminue de 0.37% par degré Voc = 42.8 [ 1- 0.0037(64-25)] = 36.7 V La puissance max doit chuter de 0.5% par degré pour ce module de 150 W Pmax = 150 [1- 0.005(64-25)] =121 W Ceci correspond à une diminution de Diminution=(150-121)/150= 19.3% Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 67 E = miscellaneous subjects; 1036 = assigned sequential number 12 = year of original adoption (or, in the case of revision, the year of last revision) ASTM E1036 - 12 (American Society for Testing and Materials (ASTM) ) Standard Test Methods for Electrical Performance of Nonconcentrator Standard Test Methods for Electrical Performance of Nonconcentrator Photovoltaic Modules Terrestrial Photovoltaic Modules and Arrays Terrestrial Using Reference Cells and Arrays Using Refer Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 68 La tension à la sortie de chaque cellule dépend du type de matériau ( largeur de la bande de conduction eV) et diminue graduellement avec l’augmentation de la température Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 69 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 70 Relation courant tension obscurité et lumière I = Isc- Id = ISC- I0(eqVd/KT -1) Quand Vd = Voc, I = 0 A Voc = (KT/q) ln (Isc/I0 + 1) À 25 degrés Celsius, Voc= 0.0257 ln (Isc/I0 + 1) Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 71 Variation des niveaux d’ensoleillement Soit une cellule photovoltaïque de 100 cm2, ayant comme caractéristiques : un courant inverse de saturation 10-12 A/cm2. En plein soleil et à 25 degrés Celsius, la cellule produit un courant de court circuit Isc = 40 mA/cm2. Calculer la tension en circuit ouvert à 100 % et à 50% d’ensoleillement. Le courant inverse I0 est: I0 =10-12 A/cm2 * 100 cm2 = 10-10 A En plein soleil, Isc= 0.04A/cm2 * 100 cm2 Isc = 4A Voc = 0.0257 ln(Isc/I0 + 1) = 0.627 V Voc = 0.610 V à mi-ensoleillement Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 72 Variation des niveaux d’ensoleillement Soit une cellule photovoltaïque de 100 cm2, ayant comme caractéristiques : un courant inverse de saturation 10-12 A/cm2. En plein soleil et à 25 degrés Celsius, la cellule produit un courant de court circuit Isc = 40 mA/cm2. Calculer la tension en circuit ouvert à 100 % et à 50% d’ensoleillement. Le courant inverse I0 est: I0 =10-12 A/cm2 * 100 cm2 = 10-10 A En plein soleil, Isc= 0.04A/cm2 * 100 cm2 Isc = 4A Voc = 0.0257 ln(Isc/I0 + 1) = 0.627 V Voc = 0.610 V à mi-ensoleillement Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 73 Maximum Power Point Tracking MPPT D'un point de vue expérimental, les cellules photovoltaïques (PV) présentent de grandes variances de leur puissance électrique en fonction des conditions météorologiques. De plus, quand elles sont connectées à une charge, certains problèmes apparaissent, et la puissance transférée à la charge correspond rarement à la puissance maximale délivrée par le générateur PV. 74 Maximum Power Point Tracking MPPT Fig.10 Caractéristique I-V et P-V montrant la puissance PMAX 75 Pour avoir la meilleure connexion entre une source non linéaire et une charge arbitraire et extraire la puissance maximale, le Maximum Power Point Tracking (MPPT) a été développé depuis 1968. Quand une source d'énergie est connectée à une charge, le point de fonctionnement est déterminé en prenant l'intersection de la caractéristique électrique I-V avec celle de la charge. Ce point de fonctionnement varie du fait que la source d'énergie ou la charge varie à tout moment. C'est pourquoi, souvent, on n'opère pas au MPP, et la puissance fournie à la charge est inférieure à la puissance maximale que l'on pourrait fournir. 76 Circuit équivalent I = Isc- Id = ISC - I0(eqVd/AKT -1) Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 77 Circuit équivalent plus efficace Si les cellules sont placées en série, et si une des cellules est dans l’ombre, elle ne produit pas un courant électrique. Dans le modèle initial, cette cellule obstrue le courant des autres cellules. Dans ce cas, le courant devient nul. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 78 Circuit équivalent plus efficace Conséquence : pas d’énergie transmise à la charge en théorie; mais dans la réalité, un courant faible continue à circuler. Un nouveau circuit équivalent tenant compte de l’ombrage est nécessaire; un modèle plus complexe tel qu’une résistance parallèle est alors nécessaire pour mieux représenter les cellules du circuit . Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 79 Circuit équivalent ajusté Le courant à la sortie est donné par (loi des nœuds) I = (Isc- Id) – IRp I = (Isc- Id) – V/Rp Rp = Résistance de fuite primaire, courant de fuite V/Rp. Pour que les pertes occasionnées par la présence de cette résistance de fuite soient inférieures à 1%, il faut que Rp soit plus grande que Rp ≥ 100 Voc /Isc Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 80 Courbe I = f(V) tenant compte de la résistance parallèle Fonctionnement réel Pour une cellule puissante, Isc = 7A, Voc=0.6 donc Rp doit être supérieure à 9Ω Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 81 circuit équivalent incluant une résistance série Rs = résistance de contact, résistance du fil, résistance du semiconducteur I = Isc - Id = Isc - I0(eqVd/KT -1) Vd = V+ IRs I = Isc - Id = Isc - I0(eq(V+IRs)/KT -1) Fonctionnement réel Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 82 Modèle général incluant la résistance en série et la résistance en parallèle I = Isc-I0 [exp[q(V+IRs)/KT -1)] – (V+IRs)/Rp, I= Isc-I0 [(e38.9(V+IRs) -1)] – (V+IRs)/Rp, à 25 degrés C’est une équation complexe sans solution directe pour extraire V et I. Il faut résoudre cette équation en dessinant la courbe de I = f(v) en incrémentant la valeur de Vd. Pour chaque valeur de Vd correspond un I et un V. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 83 Les courbes I = f(v) pour Rp=1 Ω et Rs=0.05 Ω Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 84 Les courbes I = f(v) pour Rp=1 Ω et Rs=0.05 Ω Isc = I + Id+ Ip I = Isc - I0 [(e38.9Vd -1)] – Vd/Rp V = Vd - RsI Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 85 Fonctionnement à vide et en court-circuit Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 86 Courbe de puissance, et apparition du Pmax Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 87 Identification du MPPT et du facteur de remplisage Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 88 Identification du MPPT et du facteur de remplisage Facteur de remplissage: FR = Puissance max à la sortie/VocIsc Pour une cellule du type Silicium crystalline FR = 70% - 75% Pour une cellule du type multijonction amorphe Silicium FR= 50% - 60% Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 89 90 Assemblage d’un module photovoltaïque Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 91 Le courant à la sortie de chaque cellule dépend de sa surface et de l’intensité lumineuse Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 92 Les cellules peuvent être câblés en série pour augmenter la tension à la sortie ou bien en parallèle pour augmenter le courant de sortie Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 93 Les cellules sont assemblés en module et les modules en matrice ou champ La puissance nominale est mesuré dans les conditions suivantes: - 1 kW/m2 - 25 degrés Celsius - 1 m/s vitesse de vent Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 94 Exemple de plaque signalétique d’un module photovoltaïque fabriqué par Siemens Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 95 Assemblage d'un module photovoltaïque • Le but de cette association est triple : – Obtenir une tension suffisante grâce à la connexion en série de nombreuses cellules, – Protéger les cellules et leurs contacts métalliques contre les conditions ambiantes (humidité surtout), – Protéger mécaniquement les cellules, qui sont très fragiles. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 96 Assemblage d'un module photovoltaïque • Les matériaux utilisés pour l'encapsulation doivent avoir une durée de vie élevée pour résister aux variations de température et à l'exposition aux rayons UV. • Les modules doivent aussi résister aux efforts mécaniques (transport, montage, efforts éoliens) et aux averses de grêle. • Enfin, ils doivent pouvoir se fixer facilement sur une structure. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 97 Mise en série des cellules = addition des tensions à la sortie Vmodule = n(Vd - I Rs) Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 98 Exemple • • • • • • 36 cellules identiques placées en série Irradiation 1kW/m2 Isc pour chaque cellule = 3.4 A, à 25 degrés C I0 = 6*10-10A. Rp = 6.6 Ohm Rs = 0.005 Ohm • Calculer, V, I, P, si la tension de la jonction est Vd = 0.5 Volts Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 99 Solution • • • • Vd= 0.5 , I0= 6 10-10A , Rp= 6.6 Ohm, Rs= 0.005 Ohm I = Isc - I0 [(e38.9Vd -1)] – Vd/Rp I = 3.4- 6 10-10A [(e38.9 0.5 -1)] – 0.5/6.6 I = 3.16 A • Vmodule = n(Vd-I Rs) • Vmodule = 36(0.5-3.06*0.005)=17.43 V • La puissance délivrée à la charge = Vmodule I = 17.43*3.16 = 55 Watts Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 100 Cascades (mise en série) des cellules Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 101 Mise en parallèle des cellules Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 102 Combinaison série parallèle Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 103 Exemple de connexion des panneaux avec une variation sur leurs caractéristiques Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 104 Effet de l’ombrage sur les cellules Des diodes en parallèles sont souvent ajouté pour atténuer l’effet de l’ombrage sur les performances des cellules Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 105 Effet de l’ombrage sur les cellules La tension à la sortie Vout Vout = Vn-1 – I (Rp+Rs) Vn-1 = V(n-1)/n où V est la tension des n cellules en pleine radiation Donc Vout = V(n-1)/n – I (Rp+Rs) ΔV = V-Vout=V- V(n-1)/n +I (Rp+Rs) = V/n + I (Rp+Rs) Comme RsI est très faible devant Rp, on peut écrire ΔV= V/n + I Rp Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 106 Exemple : effet de l’ombrage Effet de l’ombrage sur la puissance fournie par les cellules. La tension de 13 volts indique le niveau optimal de charge d’une batterie de 12 volts Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 107 Ajout d’une diode de protection Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 108 Effet de l’ombrage sur les cellules Impact de l’ombrage sur cinq modules délivrant 65 volts à une batterie avec un module ayant 2 cellules à l’ombre, le courant de charge a perdu 2/3 de sa valeur sans la diode de bypass Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 109 Effet de l’ombrage sur les cellules Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 110 Diodes de blocage pour éviter un courant inverse dû à l’ombrage ou bien au mauvais fonctionnement des modules Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 111 Spectre solaire Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 112 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 113 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 114 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 115 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 116 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 117 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 118 EXEMPLES D’APPLICATIONS DE PANNEAUX PHOTOVOLTAIQUES Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 119 Borne de stationnement Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP Panneau solaire 120 Bornes de stationnement : composition des panneaux Le panneau solaire est composé de 33 cellules (33*0.6) connectées en série disposées sur trois colonnes Courant (mA) 1000 800 600 400 200 0 0 5 10 15 20 Tension (V) Puissance (mW) 15000 10000 5000 0 0 Kamal Al-Haddad ENR-810 5 10 Tension (V) Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 15 20 121 600 500 400 300 200 100 0 Puissance (mW) -2 Ciel nuageux 3 8 Tension (V) 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 13 1000 800 600 400 200 0 0 0 5 10 Tension (V) 15 20 5 10 Tension (V) 15 20 Ciel semi-nuageux Ciel nuageux 16000 Puissance (mW) 1200 18 Courant (mA) Puissance (mW) Mesure avec changement du niveau d’ensoleillement Soleil visible au travers des nuages 11000 Au Soleil 6000 1000 -4000 0 5 10 15 20 Ciel ensoleillé Tension (V) Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 122 Panneau solaire Puissance (mW) 1000 800 600 400 200 0 0 5 10 15 Tension (V) 20 25 400 300 200 100 0 0 5 10 Tension (V) 15 20 Puissance (mW) Puissance (mW) 500 4000 3000 2000 1000 0 0 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 5 10 (V) Tension 15 20 123 i= f(v) 350 300 Courant (mA) 250 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 25 Tension (V) Sans neige Kamal Al-Haddad ENR-810 Neige sur tout le panneau Neige sur le bas du panneau Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 124 i= f(v) Problème d’adaptation Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 125 Circuits de base du convertisseur DC/DC Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 126 Interrupteur bloqué Interrupteur passant vL vL D D L L Interrupteur Vi vL= V= L i α Ts ∫ di L 0 = α Ts ∫ 0 C R diL dt C R V0 diL vL = (Vi − V0 ) = L dt Vi V dt → I L (α Ts ) − I L (0)= i (α Ts − 0 ) L L Vi ∆iLon = α Ts L Interrupteur Vi V0 Ts ∫ di= L αT = −∆iLoff Vi α Ts (Vi − V0 )(1 − α ) Ts ∆iLon −= ∆iLoff + = 0 L L Vi − V0 Vi − V0 → ( ) − ( = ) (TS − α T α dt I T I T L s L s ∫αT L L Ts Vi − V0 TS (1 − α ) L 1 V0 = Vi 1−α 127 CONVERTISSEUR BUCK-BOOST Un convertisseur Buck-Boost est une alimentation à découpage qui convertit une tension continue en une autre tension continue de plus faible ou plus grande valeur mais de polarité inverse. Interrupteur D V i0 iL i L C R v0 Fonctionnement du convertisseur Buck-Boost : •Dans l'état passant, l'interrupteur est fermé, conduisant ainsi à une augmentation de l'énergie stockée dans l'inductance. •Dans l'état bloqué, l'interrupteur est ouvert. L'inductance est reliée à la charge ainsi qu'à la capacité. Il en résulte un transfert de l'énergie accumulée dans l'inductance vers la capacité et la charge. 128 Interrupteur passant V0 < 0 Interrupteur bloqué V0 <0 Interrupteur Interrupteur D L Vi vL D C R V0 Vi L α Ts ∫ di = ∫ L 0 0 ∆iLon Ts Vi V dt → I L (α Ts ) − I L (0)= i (α Ts − 0) L L Vi = α Ts L Vi α Ts V0 (1 − α ) Ts ∆iLon −= ∆iLoff + = 0 L L R V0 diL vL L= V0 = dt diL vL= V= L i dt α Ts C vL ∫ αT diL = Ts V0 V0 α dt I T I T → ( ) − ( ) = (Ts − α Ts ) L s L s ∫αT L L V0 V −∆iLoff = − 0 Ts (1 − α ) (Ts − α Ts ) → ∆iLoff = L L V0 = − α 1− α Vi 129 CONVERTISSEUR SEPIC Le convertisseur DC/DC SEPIC dérive du nom (single ended primary inductor converter) est une alimentation à découpage convertissant une tension continue en une autre tension continue, de valeur différente. Il présente de nombreux attraits : il peut fonctionner comme élévateur ou abaisseur de tension; il contient peu de composants. Ce montage est généralement utilisé pour la charge des batteries. Ce montage a été mis au point par Slobodan Ćuk à la fin des années 1970. À la différence du convertisseur Ćuk qui est alimenté par une source de courant et qui alimente une source de courant, le convertisseur SEPIC est alimenté par une source de tension. Il est aussi envisageable de remplacer les deux inductances L1 et L2 par deux inductances couplées sur le même circuit magnétique. 130 Interrupteur passant Interrupteur bloqué vL1 = vi − vc − v0 diL1 dt diL 2 vc v= L = L2 2 dt = vi v= L1 L1 T 1 1 VL1 (moyen)= v dt = L1 T ∫0 T T vL 2 = −v0 αT T 1 v dt + ∫0 L1 T α∫T vL1dt= α Vi + (1 − α )(Vi − VC − V0 )= 0 1 1 VL 2 (moyen= ) v dt = L2 T ∫0 T αT T 1 v dt + ∫0 L 2 T α∫ vL 2 dt= α VC − (1 − α )V=0 0 En égalisant les 2 expressions de vc, nous obtenons V0 = = VC VC = Vi − V0 1−α 1− α α V0 α Vi 1−α 131 Circuit de base convertisseur Boost Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 132 Convertisseur CC-CA pour injecter l’énergie dans le réseau électrique Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 133 Point de fonctionnement Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 134 Point de fonctionnement Maximum Power Considérons une charge de type résistif : V=R I ou I = V(1/R) P0 = V0 I0 Rm = Vm/Im ceci donne le point de puissance max MPP Ceci correspond au courant nominal et à la tension nominale VR, IR sont donnés 1 kW/m2, 25 degrés, AM=1.5 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 135 Variation du point de fonctionnement en fonction de la charge alimentée R1 R2 R3 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 136 Variations des conditions d’ensoleillement Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 137 Exemple de connexion directe groupe Panneau-Moteur Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 138 Caractéristiques I - V d’un moteur CC Au démarrage, la FCEM=0, le courant augmente très rapidement, Quand le couple moteur devient supérieur au couple de friction+couple de charge, le moteur tourne, w augmente, FCEM augmente et le courant décroit rapidement. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 139 Couplage d’un moteur à des panneaux directement: points de fonctionnement • Impossible de fonctionner au MPPT • Le moteur ne démarre pas avant d’avoir 400W/m2 de radiation • Aussitôt démarré, le moteur a besoin de seulement 200 W/m2 pour continuer à tourner Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 140 Cas d’une batterie réelle Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 141 Fonctionnement autonome off grid • V = VB + Ri I, où VB est la tension d’une batterie idéale durant la charge • V = VB - Ri I, durant la décharge • Pour une batterie acide plomb de 12 volts, VB peut varier entre 11.7 et 12.7 volts, à 30 degrés. • La résistance interne est aussi fonction de la température de la batterie Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 142 Exemple d’une batterie • Une batterie de 12 volts a une tension à vide = 11.7V, et une résistance interne Ri = 0.03 Ω Quelle est la tension à la sortie des modules s’ils délivrent 6 A dans la batterie? (=11.88 V) • Si la batterie délivre un courant de 20A et sa tension en circuit ouvert est 12.7 V, quelle sera la tension d’opération des panneaux? (=12.1 V) Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 143 Fonctionnement avec MPPT Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 144 Fonctionnement à MPPT • Une augmentation du rendement peut être obtenue en fonctionnant au point MPPT • Fonctionnement au coude quelque soit l’heure de la journée • Un convertisseur type BOOST ou bien Buck-BOOST est capable de faire ce travail, • d’extraire la puissance maximale disponible (MPPT = Maximum Power Point Tracking) du panneau photovoltaïque. Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 145 Fonctionnement optimal avec MPPT Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 146 RÉGULATEUR MPPT (perturbe et observe) Ipv MPP P’3 ∆P > 0 P’1 P2 P1 ∆P < 0 ∆P > 0 ∆P < 0 P’2 P3 Vpv Perturber and Observer Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 148 Perturbation et Observation (Algorithme) 149 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 150 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 151 P&O étendu Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 152 Soleil PV Solaire alimentant une charge avec MPPT intégré Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 153 POURQUOI UN RÉGULATEUR ? Le panneau solaire est une source de courant continu qui dépend de l’ensoleillement : la puissance fournie dépend du point de fonctionnement Il ne peut également fournir, dans les meilleures conditions, toute la puissance électrique voulue sans l’utilisation d’un régulateur de charge. Le panneau solaire n’est généralement pas connecté aux charges directement. La batterie est indispensable…mais présente des conditions de fonctionnement qui peuvent ne pas matcher les caractéristiques du panneau Le régulateur de charge est un « système automatique » dont la fonction principale est d’assurer le contrôle de l’état de charge de la batterie : pas de surcharge ni décharge trop profonde. Il doit aussi s’assurer d’extraire le maximum de puissance disponible sur le panneau solaire RÉGULATEUR DE CHARGE SOLAIRE Régulateur : exemple régulateur de tension, de courant, de vitesse… Pourquoi un régulateur dans la chaîne ? Point de fonctionnement possible (1 charge à la fois) I Il suffit d’y mettre le nombre de panneaux solaires convenables np *Icc 1/R Ruban de LED Mcc ou batterie U E ns *U0 PV Solaire alimentant une charge résistive variable sans régulateur Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 156 I=f(V) pour différentes radiations et impact sur les trois différents types de charge Kamal Al-Haddad ENR-810 157 Énergie journalière collecter avec 3 différentes charges 158 Exemple des modules industriels Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 159 Système autonome/relié au réseau électrique Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 160 PRODUCTION SUR SITE ISOLÉ Panneaux solaires Onduleur Régulateur Récepteur alimenté en courant alternatif Boost Batteries Récepteur alimenté en courant continu PRODUCTION SUR SITE NON ISOLÉ Définition Site non isolé : endroit pouvant être raccordé au réseau Objectif Destiner à couvrir tout ou partie des besoins de consommation Exemple Alimentation d’une habitation domestique en énergie PRODUCTION SUR SITE NON ISOLÉ RESEAU : Production et consommation indépendante Panneaux solaires ( Injection de la totalité de la production ) Onduleur Compteur producteur Régulateur Boost Récepteur alimenté en courant alternatif Compteur consommateu r Réseau électrique PRODUCTION SUR SITE NON ISOLE RESEAU : Production et consommation non indépendante ( Injection des excédents de la production) Panneaux solaires Réseau électrique Onduleur Régulateur Boost Récepteur alimenté en courant alternatif Compteur consommateur Compteur producteur Schéma de base d’un élévateur ELE-355_ K AL 16/11/2014 165 Principe de fonctionnement • 0 < t < rT : S fermé • L'inductance emmagasine de l’énergie (E = ½ L I2) provenant de la source. • La diode D dite diode de blocage empêche le condensateur de sortie Co de se décharger dans S, • donc la source d'entrée charge l'inductance L et uniquement le condensateur de sortie Co alimente la résistance de charge. ELE-355_ K AL 16/11/2014 166 iL + Vs ic + vc - vL - + Co - −Vs + v L = 0 Vs = L = iL Ri ch Vs t + I min L R À la fin de cette séquence :t = tf = rT, le courant dans l’inductance atteint sa valeur maximale i L max : Vs i L= (tf ) i= t f + I min L max L ∆I= L I L max − I L min= ELE-355_ K AL 16/11/2014 R vch - − vc + vch = 0 di L dt Vs rT L ich + (19) 1 − C t ∫i c dt = 0 −∞ di ch i C di ic − = 0, ch − = 0 dt C dt RC i ch = − i C di ch i ch + = 0 dt RC τ = i ch K e − t /= , à t T, = I min Séquences de fonctionne ment et mise en équation VC min R 167 Observation • Noter bien que la tension inverse aux bornes de D est Vch • le courant dans l'interrupteur est égal à celui de l'inductance. • Le condensateur Co se décharge exponentiellement dans la résistance de charge Rch ELE-355_ K AL 16/11/2014 168 Séquence No.2 − Vs + v L + v ch =0 ⇒ Vs =v L + v ch V= s i2 = ELE-355_ K AL 16/11/2014 di 2 + v ch L dt Vs − v ch L ou Vs − v ch= (t di 2 L dt tf ) − tf ) = + iL ( t ILmax 169 Observations • Tension directe de l'interrupteur est : VS = vch • La source Vs et l'inductance L chargée sont en série. Elles transfèrent de l'énergie à la charge. • La tension à la sortie sera plus importante car une partie de l'énergie emmagasinée dans l'inductance L sera transférée et emmagasinée dans le condensateur de sortie. • Le condensateur récupère les charges perdues durant la première séquence. • La tension vch est donc au minimum égale à Vs (interrupteur ouvert en permanence). ELE-355_ K AL 16/11/2014 170 Observations • Le courant dans l’inductance varie entre une valeur ILmin et une valeur ILmax. • Le taux d’ondulation ΔI= ILmax -ILmin est fonction du rapport cyclique et de la fréquence de commutation de l’interrupteur. • Ces variations sont approximées par des droites pour faciliter le calcul. ELE-355_ K AL 16/11/2014 171 La forme d onde du courant dans l inductance L lorsque la conduction est continue est présentée ainsi ELE-355_ K AL 16/11/2014 172 Calcul de ILmax et ILmin ∆ IL I L max= I L + 2 ∆ IL I L min= I L − 2 ELE-355_ K AL 16/11/2014 173 Conduction discontinue ELE-355_ K AL 16/11/2014 174 Conduction continue ELE-355_ K AL 16/11/2014 175 Fonction de transfert en mode de conduction continu • Sur une période T, la tension moyenne aux bornes de l'inductance est nulle car en régime permanent iL(T) = iL(0) = Imin. vL = 1 T T T T di L 1 1 L = = = v dt L dt Ldi i L ( T ) − i L ( 0 ) = 0 L ∫0 L ∫ ∫ T 0 dt T0 T On peut calculer la fonction de transfert à partir de l’expression de la tension moyenne aux bornes de l'inductance : pour : 0 < t < rT → vL = Vs pour : rT < t < T → vL = Vs - Vch ELE-355_ K AL 16/11/2014 176 Tension moyenne aux bornes de l’inductance T rT 1 1 1 VL = v L dt = 0= Vs dt + ∫ ∫ T 0 T0 T Vs rT + (1 − r ) T Vs T − Vch (1 − r ) T ∫ (V − V s ch )dt rT ( Vs − Vch ) = 0 T = 0 Vch 1 = Vs 1− r ELE-355_ K AL 16/11/2014 177 ELE-355_ K AL 16/11/2014 Vch= f(Vs, r) 178 Remarques 1. Cette fonction de transfert n’est valable que dans l'hypothèse de la conduction continue. 2. Pour un rapport cyclique de 0.5 la tension à la sortie est deux fois plus grande que la tension à l’entrée ELE-355_ K AL 16/11/2014 179 Calcul des courants moyens ID et IS iL1 et iL2 sont les courants circulant dans l’inductance durant les séquences 1 et 2. IL 1 T = i L dt ∫ 0 T 1 T ∫ rT 0 i L1 1 dt + T I max − I min = i L1 I min + t rT I max − I min ) ( i L2 = I max − (1 − r ) T ∫ T rT i L2 dt ( t − rT ) I max + I min I Lmoy = 2 Vs = I max rT + I min L ELE-355_ K AL 16/11/2014 180 Courant IS dans l’interrupteur S ∆I L= rT IS I max − I min = 1 1 = i L1dt ∫ T 0 T IS ELE-355_ K AL 16/11/2014 Vs rT L I max − I min ∫0 Imin + rT rT I max + I min = r 2 t dt r IL 181 Courant moyen dans la diode D ID T T 1 1 =∫ i L2 dt =∫ I max − T rT T rT I max + I min ID = 2 I D= (1 − r)I L ELE-355_ K AL 16/11/2014 ( Imax − Imin ) t − rT dt ( ) (1 − r ) T (1 − r ) = (1 − r ) I L 182 Courant moyen dans la charge • En utilisant le principe de la conservation de l'énergie Pentrée = Psortie ⇒ Vch Ich = Vs I L Ich = ID ELE-355_ K AL 16/11/2014 183 Remarque • En conduction discontinue Vch 1 = T Vs 1 − r tβ ELE-355_ K AL 16/11/2014 184 Exemple • Soit le circuit hacheur élévateur fonctionnant à 50 kHz avec un rapport cyclique de 50%. Les paramètres du circuit son : Vs=200 volts, L=400 μH, Rch=160Ω et C0=1000 μF. • Dimensionner les semi-conducteurs après avoir dessiné à l’échelle les formes d’ondes de :iD, vD, vS, iS et vL. ELE-355_ K AL 16/11/2014 185 HACHEUR ABAISSEUR-ÉLÉVATEUR • Cette topologie combine les caractéristiques d’un élévateur et d’un abaisseur de tension. • Elle permet aussi d’inverser la tension aux bornes de la charge. • Son schéma de principe est dérivé des hacheurs abaisseur et élévateur ELE-355_ K AL 16/11/2014 186 Schéma de principe du hacheur abaisseur-élévateur ELE-355_ K AL 16/11/2014 187 Fonction de transfert rVs − (1 − r ) Vch = 0 Vch r = Vs 1− r r vch/Vs 0 0 ELE-355_ K AL 16/11/2014 0.25 0.33 0.5 1 0.75 3 0.9 9 188 Courbe de Vch = f(r, Vs) 0 ≤ Vch ≤ ∞ Pour un rapport cyclique de 50% les deux tension Vs et Vch sont égales ELE-355_ K AL 16/11/2014 189 Courant moyen dans l'inductance I max + I min IL = 2 ELE-355_ K AL 16/11/2014 190 Courant moyen dans l'interrupteur S I max + I min r = 2 IS rI L IS = rI L ELE-355_ K AL 16/11/2014 191 Courant moyen dans la diode D ID = I D= ELE-355_ K AL 16/11/2014 I max + I min (1 − r ) 2 (1 − r ) IL 192 Courant moyen dans la charge • En appliquant le principe de la conservation de l’énergie on obtient Vs IS = v ch Ich Ich Vs = IS Vch Ich= ELE-355_ K AL 16/11/2014 Vch r = Vs 1− r (1 − r ) IL 193 CRITÈRES DE CHOIX D’UNE INSTALLATION SOLAIRE : 1. ÉCONOMIQUE : coût et amortissement de l’installation par la vente de l’électricité 2. PRODUCTION DE L’ÉNERGIE : * Ressource solaire du lieu géographique ( latitude, orientation, les données météorologiques ) * orientation des panneaux et inclinaison par rapport à l’horizontale *ombre sur les panneaux ( au cours de la journée, de l’année) * rendement de l’ensemble ( panneaux, onduleur, pertes dans les câbles ) 3. ESTHÉTIQUE : intégration dans l’environnement avec impact visuel harmonieux 4. ÉCOLOGIQUE : réduction de l’effet de serre 5. PÉDAGOGIQUE : promotion des installations solaires 6. SÉCURISATION : suivant le type d’installation solaire * installation avec stockage de l’énergie * installation avec injection dans le réseau Connexion sur le réseau Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 196 Schéma électrique d’un système photovoltaïque relié au réseau électrique Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 197 Autre type de connexion Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 198 Puissance fournie et ou consommée durant la journée Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 199 Système hybride autonome de génération de l’énergie 200 Schéma de connexion standard Utilisation d’un transformateu r Compensation des harmoniques Fondamentale avec 3 eme en phase Harmoniques Fondamentale avec harmonique en opposition de phase Représentation d’une alimentation isolée Connexion au réseau Condensateur a l’ insertion Résistance à l’insertion Les fautes possibles Schéma de connexion Onduleurs connectés au réseau • Les onduleurs solaires qui sont connectés directement au réseau électrique généralement n’ont pas un système de stockage d'énergie . • Ces onduleurs solaires exigent également des fonctionnalités liées au réseau de surveillance , évaluations , et de sécurité qui sont des caractéristiques essentielles lorsqu'ils sont utilisés pour la vente d'électricité au utilités. Onduleurs isolés • Ces onduleurs solaires fonctionnent indépendamment du réseau électrique donc autonomes • Il fonctionnent avec un système de stockage de l’énergie ( ce à dire , batteries , générateur diesel , etc. ) • Ils ne nécessitent pas une surveillance étendue , mais une certaine surveillance locale est favorisée pour des raisons de sécurité . • Un tel système est normalement installé lorsque le réseau de distribution – n’est pas facilement accessible , – surtout pendant une panne de courant , – ou bien ne peut être installé de manière rentable que dans les régions éloignées Caractéristiques de onduleur solaire ( grid-Tied ) • doivent inclure des fonctions de contrôle et de surveillance • doivent avoir un système de suivi du point de puissance maximale ( MPPT ) • Contrôle des paramètres suivants est nécessaire – – – – – – le contrôle de la tension , Le contrôle du courant, Le facteur de puissance, la fréquence , les harmoniques , et la synchronisation avec le réseau électrique . • L’anti- îlotage (systèmes reliés au réseau ) est nécessaire • Le suivi des défauts à la terre est indispensable . • Boîtiers devraient être adaptés à un environnement donné , comme décrit dans les codes IEEE et selon les autres normes NEMA IP • Ports de communication pour isoler et d'éviter les événements d’îlotage doivent être fournis , ceci permet d’éviter d‘e mettre des vies en danger Onduleurs solaires Surveillance de la puissance • Le Suivi d'onduleurs solaires devraient remplir les conditions suivantes: • 1. Les bons citoyens de réseaux électriques devraient préserver l'énergie lorsqu'il n’ont pas besoin de l’utiliser. • 2. La surveillance doit se conformer aux normes de services publics d'électricité ( efficacité et pertes) . Onduleurs solaires Surveillance de la puissance • 3. Normes suivi sont généralement UL1741 ou CEC , mais ils peuvent être déterminés par le service public local . • 4. La puissance de sortie doit être propre , sans distorsion , et en phase ou synchronisé avec le réseau électrique. – Il devrait être une onde sinusoïdale pure . • 5. La plupart des onduleurs solaires ont un système de surveillance qui détecte la forme d'onde de réseau électrique (tension, courant , facteur de puissance , fréquence) et fournissent une sortie en conséquence – Des précautions doivent être prises pour maintenir la nature de sinusoïde , et la qualité de l'alimentation doit être maintenue . • 6. les onduleurs reliés au réseau modernes ont typiquement un facteur de puissance unitaire fixe , ce qui signifie la tension et le courant de sortie sont parfaitement alignés, et son angle de phase est à moins de 1 degré de la tension d'alimentation du réseau . Exemple sur les onduleurs pour connexion sur le réseau Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 220 Système de distribution type P Onduleur de faible puissance Exemple de Micro onduleurs Micro inverters 100W Onduleur de grande Puissance triphasé Convertisseurs alimentant un réseau ou une charge Exemple de connexion des Panneaux Multistring par phase dans un système triphasé Une autre varia nte de phas e multi string Les configurations possibles 3.1 Les onduleurs monophasés 3.1.1 Les montages à deux interrupteurs Le montage de base d'un onduleur est l'onduleur en demi-pont et son principe consiste à imposer une tension positive et négative aux bornes de la charge. Pour cela, il faut utiliser deux hacheurs tête-bêche. Vs/2 + + Vs/2 C1 + K1 vch Charge - Montage de base - + - ich K2 Vs Vs/2 ich C2 + - - vch T1 D1 T2 D2 + charge Vs/2 Montage à point milieu capacitif Les condensateurs permettent d’obtenir le point milieu (diviseur de tension) Si leur capacité est suffisante, on obtient deux tensions sensiblement constante et égale à Vs/2 22 9 Description Le montage est composé : • à l’entrée d’une source de tension Vs à point milieu, réversible en courant • à la sortie d’une charge alternative de type courant (R, RL, RLE, RLC) • deux interrupteurs unidirectionnels, T1 et T2, à deux segments commandés à l’ouverture et à la fermeture dont les temps de commutation sont négligeables. • de deux diodes de roue libre supposées parfaites • de deux condensateurs de filtrage. 23 0 Principe de fonctionnement Puisque la somme des tensions aux bornes des condensateurs est égale à Vs et que cette tension est supposée constante: • le courant de charge (ou décharge) de C1 est égale au courant de décharge (ou de charge ) de C2 Kirchhoff’s law • le courant dans la charge est le double du courant dans l’un des condensateurs 23 1 Cas 1: alimentation d’une charge purement résistive • La source de tension ne doit pas être court-circuitée • Pour 0 < t < T/2 (α=0.5) T1 est fermé et T2 est ouvert • Pour T/2 < t < T T2 est fermé et T1 est ouvert C1 + - + - Vs T1 ich C2 + - C1 Vs/2 - vch D1 + - + charge Vs/2 T2 D2 0 < t < T/2 Vch=vc1=Vs/2 VT1=0, vD1=0 , VT2=-VD2 = Vs iT1= ich= Vs/(2Rch), iD1=iT2=iD2=0 + - Vs Vs/2 ich C2 + - - vch T1 D1 T2 D2 + charge Vs/2 T/2 < t < T Vch= vc2 = - Vs/2 VT2= 0, vD2= 0 , VT1= -VD1 = Vs iT2=-ich=-Vs/(2Rch), iD1=iT1=iD2=0 23 2 Vch , ich Vs/2 Vs/2Rch T/2 T t -Vs/2 T1 iT1 T2 Tracer les formes d’ondes iT1, iT2, et is (courant de source) iT2 t t t 23 3 Exemple 3.1 Pour l’onduleur précédant, déterminer: a) l’expression de la valeur efficace de tension de sortie vch b) les coefficients de Fourier de la tension de la charge c) l’expression instantanée de la tension de sortie en fonction des coefficients de Fourier d) la valeur efficace du fondamental de la tension de sortie (V1) e) le taux de distorsion harmonique total de la tension de sortie f) les coefficients de Fourier du courant dans la charge g) le développement en série de Fourier de la puissance instantanée pch h) la puissance active de fournie par source si Vs= 48 V et Rch=2.4 Ω 23 4 Solution a) Expression de la valeur efficace de la tension de sortie vch VchE = 1 T 2 v ch ( t )dt = ∫ 0 T T Vs Vs 2 T2 2 2 Vs 2 dt ) dt ( ) ( = = 2 2 T ∫0 T ∫0 2 b) Coefficients de la série de Fourier de tension de sortie vch a n = 0 car le signal v ch est un signal impair (symétrique par rapport à l' origine) 2π 4 2 Vs 2π 2 T b n = ∫ v ch ( t ) sin( nt )dt = ∫ ( ) sin( nt )dt T T 0 2 T T 0 T T 2 2π 4 T Vs ( ) − cos( nt ) = T 0 T 2πn 2 Vs = [1 − cos(nπ)] πn 0 b n = 2Vs nπ si n est pair si n est impair 23 5 c) vch en fonction des coefficients de Fourier 2πn 2πn en général : v ch (t) = a o + ∑ a n cos( t ) + bn sin ( t) T T n =1 ∞ 1 2πn pour ce cas : v ch (t) = t) sin ( ∑ π n =1,3,5,7 ,.. n T 2Vs ∞ 2Vs 2π 1 6π 1 10π 1 14π t t sin ( t ) sin ( t ) ... v ch (t) = sin ( ) sin ( ) + + + + π T 3 T 5 T 7 T d) Valeur efficace du fondamental de la tension de sortie Fondamental 2Vs Amplitude V b = = 1M 1 π Valeur efficace V = b1 = 2Vs 1E π 2 23 6 e) Le taux de distorsion harmonique total de la tension de sortie THD = 2 VchE − V12E V1E ( = 2Vs 2 Vs 2 ) −( ) 2 π 2Vs π = 2π 1 2 − 2 = 48.43% 2 4 π f) Coefficients de la série de Fourier du courant dans la charge ich a ni = 0 car le signal v ch est un signal impair (symétrique par rapport à l' origine) T 2 T 2π 4 2 Vs 2π b ni = ∫ i ch ( t ) sin( nt )dt = ∫ ( ) sin( nt )dt 0 0 T T T 2R ch T T 2 Vs 4 T 2π = ( ) − cos( nt ) T 2πnR ch 2 T 0 Vs [1 − cos(nπ)] = πnR ch 0 b ni = 2Vs nπR ch si n est pair si n est impair 23 7 ∞ en général : i ch (t) = a oi + ∑ a ni cos(nωt ) + b ni sin (nωt ) n =1 2Vs pour ce cas : i ch (t) = πR ch 2Vs i ch (t) = πR ch 2π = 2πf avec ω = T ∞ 1 sin (nωt ) ∑ n =1, 3, 5, 7 ,.. n 1 1 1 ω + ω + ω + ω + sin ( t ) sin (3 t ) sin (5 t ) sin (7 t ) ... 3 5 7 g) développement en série de puissance instantanée consommée par la charge pch(t) Vs2 4R ch π 2π 3π ωt Vs2 p ch ( t ) = a o = = la valeur moyenne et a n = b n = 0 pour n = 1,2,3, , , ∞ 4R ch 23 8 Cas d’un pont complet Schéma du convertisseur T1 T3 D1 v K1 ik1 vch ik3 - + ich Vs charge ik2 ik4 T4 Kamal Al-Haddad ENR-810 D3 v K3 D4 vK4 T2 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP D2 vK2 239 Formes d’ondes pour une charge inductive (R, L), on a Commande 1 3 1 2 4 2 v ch Vs T/2 T t -Vs ich T/2+t1 T/2 t1 T T3 T1 Conduction D1 t + + T2 T4 D3 + + D2 D4 24 0 Les divers intervalles qu’il est possible de distinguer sont déterminés par la commande et le sens du courant ich dans la charge. • À t=0, le courant ich est négatif; T1 et T2 bien que commandés à la fermeture, ne peuvent pas conduire (interrupteurs unidirectionnels), le courant ich retourne à la source par l’intermédiaire des diodes D1 et D2 qui restent passantes tant que ich est négatif. • À l'instant t=t1,, ich s’annule, donc les diodes D1 et D2 se bloquent • pour t1<t<T/2, ich est positif, T1 et T2 sont fermés et conduisent. • À t=T/2, T1 et T2 sont ouverts mais le courant ich ne s ’annule pas : il reste positif; T3 et T4 bien que commandés à la fermeture, ne peuvent pas conduire (interrupteurs unidirectionnels), le courant ich retourne à la source par l’intermédiaire des diodes D3 et D4 qui restent passantes tant que ich est positif. • À l'instant t=T/2+t1,, ich s’annule, donc les diodes D3 et D4 se bloquent • entre les instants T/2+t1 et T, le courant ich est négatif, T3 et T4 conduisent. 24 1 Exemple : L’onduleur ci-après alimente une charge purement inductive de valeur L. On désigne par -I la valeur du courant dans la charge ich à t=0. On vous demande de: a) Déterminer l’expression de ich(t) pour 0 < t < T/2 et pour T/2 < t < T b) Déterminer l’expression de i en fonction de Vs et T c) Tracer les formes d’ondes des courants: - ich(t), - iT1 - et is(t) 24 2 La configuration de l’onduleur est la suivante T1 D1 T3 vK1 ik1 vch Vs vK3 ik3 - + ich D3 charge ik2 ik4 T4 D4 vK4 T2 D2 vK2 24 3 a) En régime établi, on a une condition de périodicité car le système possède un fonctionnement périodique Vs L t −I ch ich (t ) = T Vs − (t )+I L 2 ch T pour 0 ≤ t ≤ 2 pour (I. > 0) T ≤ t ≤T 2 b) Évaluation de I à t =T, i ch (T) =−I ⇒ ⇒ Vs T − (T - ) + I =−I Lch 2 Vs I= T 4Lch Pour Vs=220 V, Lch=32.5 mH et T=1/600 s I 220 = 2.82A −3 4 × 32.5 ×10 × 600 24 6 Exemple Vs vch t − Vs is ich I ich, is t -I vT1 T 0.5T T1 , T2 Commande Conduction D1 , D2 T1 , T2 t T3 , T4 D3 , D4 C) Formes d’ondes T3 , T4 24 7 Solution a) Expression de la valeur efficace de la tension de sortie vch VchE = T 1 T 2 v ch ( t )dt = ∫ 0 T T 2 2 2 2 2 (Vs ) dt = Vs dt = Vs ∫ ∫ 0 0 T T b) Coefficients de la série de Fourier de tension de sortie vch a n = 0 car le signal v ch est un signal impair (symétrique par rapport à l' origine) 2 T 2π 4 2π b n = ∫ v ch ( t ) sin( nt )dt = ∫ 2 Vs sin( nt )dt T T 0 T 0 T T T 2 4 T 2π Vs − cos( nt ) T 2πn T 0 2Vs [1 − cos(nπ)] = πn = 0 b n = 4Vs nπ si n est pair si n est impair 24 8 c) vch en fonction des coefficients de Fourier 2πn 2πn t ) + b n sin ( t) en général : v ch (t) = a o + ∑ a n cos( T T n =1 ∞ 4Vs sin (nωt ) pour ce cas : v ch (t) = ∑ n =1, 3, 5, 7 ,.. πn ∞ 4Vs v ch (t) = π 1 1 1 sin (ωt ) + sin (3ωt ) + sin (5ωt ) + sin (7ωt ) + ... 7 5 3 Valeur efficace du fondamental de la tension de sortie Fondamental 4Vs Amplitude l V b = = 1M 1 π Valeur efficace V = b1 = 2 2Vs 1E π 2 24 9 Le taux de distorsion harmonique total de la tension de sortie THD = 2 chE V −V V1E 2 1E = 2 2Vs 2 ) π 2 2Vs π Vs2 − ( = π 2 2 1− 8 = 48.43% 2 π 25 0 Intégration des sources distribuées schéma de base Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 251 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 252 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 253 Énergie éolienne: schéma de conversion type Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 254 Évolution de la puissance de la turbine et de l’électronique de puissance Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 255 Étages de conversions Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 256 Pile à hydrogène Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 257 Diagramme de charge Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 258 Compe nsatio n shunte Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 259 Compensa tion série Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 260 Classification des convertisseurs d’énergie Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 261 Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 262 Les technologies de stockage de l’énergie Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 263 Classification de éléments de stockage de l’énergie Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 264 Caractéristiques des systèmes de stockage d’énergie EDLC : electro chemical double layer capacitor, CAES compressed air, FESS fly wheel energy storage, SMESS super conductive energy storage system TESSThermo electric energy storage Emadi Trans Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 265 Fin ! Kamal Al-Haddad ENR-810 Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP 266