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: Mamadou.doum[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
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.
Installations autonomes Installations connectées au réseau électrique
Systèmes photovoltaïques
sans stockage avec stockage hybrides connexion
directe
connexion à travers
un réseau résidentiel
applications cc
applications ca
génératrice diesel
éolienne
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 sous-
filières : 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
possible de donner un aspect semi-
transparent 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.
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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]
Figure 3 : Caractéristiques courant-tension de
cellules connectées en parallèle [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 plomb-
acide (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-metal-
hydrure (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 :
OHPbSOPbSOHPbO 24422 222 +
⇔
+
+
A l’électrode négative (cathode) :
24 4
22Pb H SO PbSO H e
+−
+⇔++
A l’électrode positive (anode) :
224 4 2
22 2PbO H SO H e PbSO H O
+−
+++⇔+
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
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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.
4.2 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.
4.3 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.
5. Régulateurs de charge
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 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
(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
Charge
Panneau
solaire
Diode Inter rupteur
Interrupteur
Figure 4 : Régulateur shunt
5.2 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.
Régulateur
Batterie
Charge
Panneau
solaire
Diode InterrupteurInterrupteur
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
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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].
Régulateur
MPPT
Batterie
Cha r ge
Interrupteur
Convertisseur
cc-cc
Panneau
solaire
Figure 6 : Régulateur MPPT
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
de l’inductance s’inverse, ce qui fait conduire
la diode qui protège l’interrupteur.
Batterie
Charge
Interru pteur
Inductance Diode
Condensateur
+
_
Figure 7 : Hacheur élévateur
Batterie
Charge
Inductance
Diode
C o nde nsa te ur
+
_
Interrupteur
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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