La conversion d`énergie dans les systèmes photovoltaïque

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
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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)
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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…
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Plan
 Contexte et enjeux
 Rappels sur la chaîne de conversion photovoltaïque
 Problématiques de la chaîne de conversion photovoltaïque
 Conclusion générale
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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
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Exemple d’installation
Générateur
photovoltaïque
raccordé au réseau
Générateur
photovoltaïque en site
isolé
Solution hybride:
Générateur
photovoltaïque avec
revente du surplus
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Evolution de la puissance PV installée
dans le monde
EPIA - European Photovoltaic Industry Association - Global Market Outlook for
photovoltaics until 2013 - Belgique, 2008
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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…
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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…
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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
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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…
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Problème d’inclinaison
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Rendement européen
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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
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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
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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)
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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)
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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
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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)
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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
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Conversion DC-AC (3/5)
 Marché des onduleurs : tendances actuelles
Source : String and Module Integrated inverters for Single-Phase Grid Connected Photovoltaic Systems. 2003
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Conversion DC-AC (3/5)
Conversion mono étage (avec ou sans isolation)
Projet labellisé par le pôle
de compétitivité S2E2
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Conversion DC-AC (3/5)
Conversion deux étages (avec ou sans isolation)
De nombreuses technologies…
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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)
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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
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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)
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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
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Les différentes architectures onduleurs
Circuit 4 étages + Push-Pull (ex: Soladin 120 η=95,4% 2001)
+: adaptation Ve, gamme Ve↑, MALT
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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…
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