énergies renouvelables

Les économies d’énergie en général sont
désormais une priorité à l’échelle
mondiale et, dans la grande course au rendement,
la dynamique des formes alternatives d’énergie
renouvelable est en plein essor. L’énergie solaire
provenant de cellules photovoltaïques compte
parmi les technologies les plus prometteuses.
Nombreux sont aujourd’hui les exemples
d’utilisation de l’énergie PV : ils peuvent aller
des chargeurs de téléphones portables aux
installations de panneaux solaires de toit générant
suffisamment d’énergie pour alimenter une
maison particulière ou une petite entreprise.
Ce second exemple est actuellement au centre
de toutes les attentions, car des installations
efficaces sont capables de ramener l’énergie
en surplus vers le réseau électrique lorsque
nécessaire, le propriétaire bénéficiant ainsi
non seulement d’une forme d’énergie
renouvelable, mais également d’un petit retour
sur investissement. Cependant la technologie
PV fait également l’objet d’une controverse car
son déploiement est susceptible d’engendrer
des pertes à différents niveaux de la chaîne
énergétique. Les fabricants de l’ensemble de la
chaîne d’approvisionnement tentent de trouver la
meilleure architecture système pour y remédier.
Les panneaux solaires produisent un courant
continu. Le recours à la technologie PV pour
une tension d’alimentation secteur c.a.
nécessite donc un inverseur c.c./c.a. Le débat
fait rage quant à la meilleure façon de mettre
en œuvre cette technologie d’inverseur :
centralisée ou distribuée ?
L’approche distribuée (qui semble prendre le pas
sur la topologie centralisée, plus traditionnelle)
implique la présence d’un inverseur dédié
à proximité de la sortie de chaque panneau
solaire. Principal attrait de cette approche : les
performances négatives d’une seule cellule
n’ont aucun impact négatif sur les performances
globales du système, contrairement à l’approche
centralisée dont c’est là le principal point
faible. Si la duplication des inverseurs entraîne
effectivement des coûts plus élevés, les
partisans de l’approche distribuée arguent qu’un
plus grand rendement, associé à l’amélioration
de la fiabilité du système grâce à la suppression
du point unique de défaillance, compense la
majoration du prix unitaire sur la durée de vie
globale du système.
Les deux topologies, centralisée et distribuée, ont
chacune leurs mérites et pour point commun la
nécessité de trouver une technologie d’inverseur
efficace. En effet, en l’absence d’un inverseur
efficace, toute amélioration des performances du
système serait vaine. Cependant, les exigences
liées aux différents types d’inverseurs utilisés
varient en fonction de la topologie et c’est
justement à ce niveau que la technologie propre à
l’inverseur joue un rôle prépondérant.
Les tensions d’entrée de l’inverseur dépendent
de la topologie choisie. De même, le rendement
de l’inverseur dépend de sa conception,
notamment de son adéquation avec la
configuration requise. Les transistors bipolaires
à porte isolée, également appelés IGBT, offrent
indéniablement plusieurs avantages pour ce
type de conception d’inverseur. Dans un même
boîtier, ces dispositifs offrent les meilleures
technologies de transistor à effet de champ (FET)
et de transistor à jonctions bipolaires (BJT), ce
qui permet d’assurer leur contrôle à l’aide d’un
régulateur de tension, comme avec la technologie
MOSFET, tout en présentant le niveau de
passage de courant le plus élevé des transistors
BJT. Ainsi, leur utilisation dans les alimentations
électriques s’est rapidement développée et
même s’il existe à présent un grand choix de
transistors IGBT, il est évident qu’un même
modèle ne peut pas convenir à toutes les
applications. Cela se reflète non seulement dans
les différences qui peuvent exister entre les
inverseurs au sein d’une topologie centralisée ou
distribuée, mais également dans l’optimisation
des choix du type de transistor IGBT dans ces
inverseurs.
Pour créer la forme d’onde c.a., l’entrée c.c.
depuis une batterie ou une cellule photovoltaïque
passe par un inverseur en pont complet, comme
illustré à la figure 1. Cette opération nécessite
quatre transistors IGBT haute tension : Q1 et
Q2 (appelés « high-side ») et Q3 et Q4 (appelés
« low-side »).
Pour créer l’onde c.a. sinusoïdale, une technique
consiste à moduler la largeur d’impulsion des
transistors « high-side » à 20 kHz et à commuter
les transistors IGBT « low-side » sur la fréquence
du réseau électrique voulue (généralement 50 ou
60 Hz). Concrètement, cela signifie que pendant
l’alternance positive, la largeur d’impulsion
du transistor Q1 est modulée à 20 kHz tandis
que le transistor Q4 reste activé (Q2 et Q4
sont désactivés) et, de la même manière pour
l’alternance négative, le transistor Q2 est modulé
tandis que le Q3 reste activé, les transistors Q1
et Q4 étant désactivés. Les caractéristiques
des transistors IGBT « high-side » et « low-
side » variant clairement en fonction de cette
architecture, il est important d’opter pour des
dispositifs provenant d’un fournisseur familiarisé
avec ces exigences.
La gamme de transistors IGBT et MOSFET
proposée par International Rectifier (IR)
correspond parfaitement à ce scénario, comme
illustré à la figure 1. Pour les transistors IGBT de
type « high-side », le temps de commutation
est crucial, c’est pourquoi le choix d’un transistor
IGBT à commutation rapide permet de minimiser
les pertes de commutation. La société IR a
récemment mis sur le marché une nouvelle
gamme de transistors IGBT, 600 V Trench,
optimisés pour la commutation « high-side »
à 20 kHz et pour les inverseurs cible utilisés
avec les onduleurs (UPS) et les inverseurs pour
panneaux solaires. En fait, l’utilisation de ces
dispositifs pour ce type d’applications peut
apporter un gain de rendement de près de 30 %.
Il n’est pas nécessaire d’optimiser la vitesse
de commutation des différents dispositifs
« low-side » de la même façon. Dans ce type
d’application, les dispositifs recommandés
seraient plutôt des transistors IGBT de vitesse
standard, fabriqués selon un procédé planaire,
contrairement aux dispositifs de type Trench
utilisés pour la configuration « high-side ». Ces
dispositifs sont optimisés pour des vitesses
lentes et des pertes de conduction minimes,
représentant de ce fait la solution la plus efficace.
Les panneaux solaires PV sont de plus en plus
utilisés, mais cette technologie peut encore
être considérablement améliorée en termes de
rendement. Le développement d’inverseurs plus
performants constituera une étape cruciale dans
l’évolution de la technologie PV et des autres
formes d’énergie renouvelable.
Pour plus d’informations sur la gamme
de transistors IGBT et MOSFET proposée
par la société IR dans le domaine de
la technologie PV, consultez le site
www.rswww.fr/ir
Fig.1 L’inverseur solaire est doté de transistors IGBT
haute tension dans une topologie de pont complète
eTech - NUMÉRO2 17
Alimentation c.c.
(inverseur solaire,
batterie)
IGBT
« high
side »
IGBT
Q2
IGBT
Q4
IGBT
Q1
IGBT
Q3 IGBT
« low side »
C1
C2
Sortie
c.a.
Sortie
c.a.
L1
L2
16 eTech - NUMÉRO2
Il existe un fort potentiel pour
l’énergie solaire photovoltaïque,
mais il est essentiel de bien rééchir
à la conception an de garantir un
rendement maximal.
Un avenir radieux pour les
énergies
renouvelables