8 Raisons pour lesquelles le Concept des Optimiseurs

8 Raisons pour lesquelles le Concept des
Optimiseurs de Puissance est meilleur
Les Micros Onduleurs et les Optimiseurs
de Puissance – Comparaison Technique
DEUX APPROCHES SIMILAIRES
Les électroniques niveau du module, appelés micro-onduleurs et optimiseurs de puissance, permettent de surmonter les
défaillances des systèmes PV (photovoltaïque) traditionnels grâce à la gestion du système au niveau du module et non pas au
niveau de la chaîne. Les micro-onduleurs comme les optimiseurs de puissance permettent de collecter une quantité d’énergie
plus importante qu’une chaîne traditionnelle ou qu’un onduleur central, grâce à la Recherche du Point de Puissance Maximale
(MPPT) au niveau du module. De plus, les composants électroniques au niveau du module proposent une maintenance plus
aisée et une plus grande visibilité des performances du système grâce à la supervision du système au niveau du module, une
sécurité améliorée par l’arrêt automatique de la tension DC et la flexibilité de l’installation.
POURQUOI L’APPROCHE DE L’OPTIMISEUR DE PUISSANCE EST-ELLE
MEILLEURE
Les micros onduleurs atteignent leur fonctionnalité au niveau du module en plaçant un onduleur complet CD/CA sur chaque
module, faisant de la conversion CD/CA le cœur du concept. Par contre les optimiseurs de puissance attribuent aussi des
composants électroniques de puissance au module, mais à l’inverse, ils conservent la conversion CD/CA au niveau de l’onduleur.
Il n’est pas nécessaire d’ajouter un onduleur à chaque module puisque les optimiseurs de puissance CD/CD accordent tous les
avantages au niveau du module avec un coût inférieur, un rendement plus élevé et une plus grande fiabilité.
AVANTAGES COMMUNS DES MICROS
ONDULEURS ET DES OPTIMISEURS
DE PUISSANCE SUR LES ONDULEURS
TRADITIONNELS
AVANTAGES DES OPTIMISEURS DE PUISSANCE SUR
LES MICRO-ONDULEURS
1. Plus grande collecte d’énergie
1. Meilleure compatibilité du module et aucun écrêtage
de puissance
2.Sécurité
3.Contrôle au niveau du module
2.Une production d’énergie supérieure sur une plage
plus étendue de MPPT
4.Flexibilité de l’installation
3.Fiabilité plus importante
4.Meilleur rendement
5.Technologie de communication supérieure
(communication par courants porteurs en câbles CD)
6.Conformité avec les codes de réseau évolués
7.Coût inférieur du système, taux de retour sur
investissement plus rapide
8.Possibilité d’extension du système
1. COMPATIBILITÉ DU MODULE ET ECRÊTAGE DE PUISSANCE
Afin de garantir une compatibilité de module plus vaste, les fabricants d’ électronique niveau du module doivent s’adapter à des
puissances nominales du module en constante augmentation. A l’heure actuelle, les optimisateurs de puissance de SolarEdge
permettent la connexion de modules pouvant atteindre 420 WDC et 125Voc, adaptés à la grande majorité des modules présents
actuellement sur le marché. Ceci comprend aussi les modules à haute puissance crête généralement utilisés pour les installations
commerciales. Dans leur état actuel, les micro-onduleurs permettent une connexion avec des modules dont les valeurs de
puissance atteignent difficilement les 260WDC (et uniquement 60 cellules), et ne sont pas adaptés aux puissances de nombreux
modules disponibles sur le marché.
De plus, ce n’est pas la capacité CD connectée mais la limite de sortie CA du micro-onduleur qui détermine la quantité d’énergie
pouvant être récoltée d’ un module. La limite de sortie maximale actuelle pour un micro-onduleur Enphase M215, par exemple,
est de 215WAC, alors que la puissance crête moyenne des modules actuels est supérieure à 230 W et augmente jour après
jour. Malgré qu’un certain surdimensionnement peut être toléré avec des onduleurs de chaine ou centralisés, la connexion d’un
module de 260W, par exemple, à un micro-onduleur de 215WAC, resulte en un surdimensionnement de 17% pouvant provoquer
une écrêtement de la puissance de sortie et limiter les installateurs dans leur choix de module.
2. UNE PLAGE MMPT PLUS LARGE POUR UNE RÉCOLTE PLUS IMPORTANTE DANS CERTAINES
SITUATIONS D’OMBRAGE
La tension du module décroît en cas d’ombrage partiel. Lorsqu’un module est partiellement ombré, ses sous chaînes sont
généralement contournées, ainsi un nombre inférieur de cellules est disponible à la production. Ce phénomène entraîne une
baisse de la tension au niveau du module. Si une ou deux sous chaînes sont partiellement ombragées, le module pourrait perdre
un, voire, deux tiers de sa tension. Prenez pour exemple un module type de 60 cellules avec une tension MPP de 27VMPP. Dans
ce cas, la valeur de 27VMPP décroît pour atteindre les 18VMPP ou 9VMPP, respectivement.
Afin de récolter l’énergie de façon efficace d’un module partiellement ombragé, la capacité de suivi à faible tension est cruciale.
Cependant, les micro-onduleurs nécessitent une tension relativement élevée afin d’être en mesure de suivre le MPP d’un module.
Par exemple, la fiche technique du micro-onduleur Enphase M215 indique une tension minimale de 22V. Ce qui signifie que si
la tension du module passe en dessous des 22V, ce micro-onduleur ne sera pas en mesure de suivre son MPP. Au contraire, il
s’eloignera du MPP du module afin de maintenir une tension suffisamment élevée et permettre la continuité du fonctionnement
à un point de travail non optimal.
Dans l’exemple ci-dessus, (un module de 60 cellules avec des sous chaînes ombragées), cela voudra dire que le micro-onduleur
M215 ne sera pas en mesure de suivre le MPP de ce module dans aucun des deux scénarios (18V ou 9V). (Figure 1).
Inversement, les optimiseurs de puissance de SolarEdge entament un suivi du MPP dès 5V, ce qui signifie qu’ils suivent le MPP
du module même en situation d’ombrage partiel important. Les optimiseurs de puissance réalisent ainsi un meilleur travail que
les micros onduleurs dans des zones partiellement ombragées. (Figure 2).
Considerant que l’atténuation de la perte due à un ombrage partiel est l’un des avantages les plus précieux du suivi MPP niveau
du module, la plage de suivi MPP des électroniques niveau module reste un critère de selection de première importance.
Max 55V
VMPPT < 9V
Min 23V
Min 18V
SolarEdge
(OP250-LV)
Min 22V
Max 37V
SolarBridge
(P250LV-240)
Max 35V
Enecsys
(S240W)
VMPPT < 18V
Max 36V
Enphase
(M215)
Plus faible est la tension minimum du MPP
pour le suivi du MPP au niveau du module,
plus sa tolérance à l’ombrage est élevée et
plus la puissance peut être récupérée avant
que les diodes de contournement ne soient
activées1.
VMPPT = 27V
Plage de suivi de la tension MPP
Figure 1:
Min 5V
Figure 2:
SolarEdge permet l’utilisation de la totalité
de la surface du toit en dépit d’éléments
pouvant causer des zones d’ombrage (dans
ce cas : une cheminée). L’utilisation de la
totalité du toit ne peut fonctionner que si la
plage de MPPT de l’appareil au niveau du
module est suffisamment basse afin d’éviter
que les diodes de contournement du module
ne soient activées.
1
: http://www.solaredge.com/files/pdfs/se_technical_bypass_diode_effect_in_shading.pdf
3. FIABILITÉ
La fiabilité est primordiale lorsqu’il s’agit d’une technologie au niveau du module. Les garanties de durée de vie des modules,
par exemple, reflètent une norme industrielle selon laquelle l’acquisition d’un équipement photovoltaïque constitue un achat à
long terme. Conçus pour fonctionner avec des modules photovoltaïques, les micros onduleurs comme les optimiseurs sont jugés
par rapport à ce standard. C’est pourquoi les deux technologies proposent une garantie standard de 25 ans.
Cependant, par comparaison aux modules photovoltaïques et aux supports de fixation, les appareils électroniques posent un défi
quant à leur durée de vie. Les micros onduleurs nécessitent une large capacitance d’entrée en raison de la faible fréquence du
réseau. Dans de nombreux cas, elle est realisée avec des condensateurs électrolytiques. Comme mis en évidence par les courtes
garanties standard fournies comparablement pour des onduleurs traditionnels, les condensateurs électrolytiques posent un défi
particulier car ils contiennent des liquides qui s’évaporent sous certaines conditions d’exploitation, un facteur susceptible de
raccourcir de manière significative la durée de vie des micro-onduleurs en comparaison avec celle des optimiseurs de puissance.
Non contraints par les exigences de capacités CD/CA, les optimiseurs de puissance peuvent garantir une durée de vie prolongée
du produit en se reposant sur deux composants fiables par essence : des condensateurs céramiques et des circuits intégrés à
application spécifique (ASIC). Premièrement, les optimiseurs de puissance possèdent une fréquence de commutation élevée
leur permettant d’utiliser des condensateurs céramiques avec un taux de vieillissement faible et fixe. Deuxièmement, les ASIC
permettent d’intégrer plusieurs composants électriques requis sur une même puce. Le nombre de composants discrets est
ainsi réduit et avec eux les points de défaillance potentiels (Figures 3 et 4). La conception des optimiseurs de puissance est par
conséquent plus fiable.
Nombres de composants
Figure 3:
Le PCB de l’optimiseur de puissance de
SolarEdge comparé à un micro-onduleur de
marque.
(Images à la même échelle)
Condensateurs électrolytiques
ASIC
Optimiseur de puissance
SolarEdge PCB : 186 composants
y compris 2 puces ASIC
20%
a nt y
tic -
25 y
60%
40%
Aucun
vieillissement
durant le
fonctionnement
wa r r
Contains
evaporating
fluids
e a rs
80%
?
100%
t ro l y
Les condensateurs céramiques possèdent
une durée de vie nettement plus longue que
les condensateurs électrolytes.
Défaillances cumulées par condensateur
Elec
Figure 4:
Taux de
défaillance
PCB d’un micro-onduleur de
marque : 466 composants
5
Céramique – 25 ans de
10
15
garantie
Années
4. CHALEUR PLUS FAIBLE ET RENDEMENT SUPÉRIEUR
a. L’influence de la dissipation de chaleur:
Figure 5:
Les rendement de
conversion plus faibles
signifient que des
températures plus élevées
au niveau du module sont
susceptibles d’affaiblir
son fonctionnement. Les
optimiseurs de puissance
possèdent un rendement
maximal de 98.8% CEC.
Par conséquent, la chaleur
dissipée dans le module
est négligeable comparée
à celle des microonduleurs.
RENDEMENT D’UN APPAREIL
AU NIVEAU DU MODULE ET LA
CHALEUR DANS LE MODULE
Les optimiseurs de puissance dissipent moins de chaleur. Les optimiseurs de puissance sont plus efficaces que les microonduleurs dans la mesure où la production de chaleur associée à la conversion se fait dans l’onduleur et non dans l’optimiseur.
Les optimiseurs de puissance de SolarEdge, par exemple, fonctionnent avec un rendement pondéré de 98.8%. De ce fait, moins
de chaleur est dissipée dans le module (1.2%). Les micro-onduleurs possèdent un taux de rendement inférieur à celui des
optimiseurs de puissance. Le rendement le plus haut connu pour des marques de micro-onduleur est de 96%, ce qui signifie
que 4% sont dissipés sous forme de chaleur dans le module (Figure 5). Par conséquent, un rendement plus élevé améliore à la
fois la durée de vie et la fiabilité du produit et du module.
1.2%
4%
5%
8%
Chaleur dans
le module
Rendement
de l’appareil
au niveau du
module
98.8%
96%
95%
92%
SolarEdge
(OP250-LV)
Enphase
(M215)
SolarBridge
(P250LV-240)
Enecsys
(S240W-72)
b. Influence sur le rendement:
Actuellement le rendement de conversion pondéré des micro-onduleurs varie entre 92% et 96%. Le rendement pondéré du
système SolarEdge est de 96.5% (rendement de 98.8% pour l’optimiseur de puissance multiplié par 97.6% de rendement
pour l’onduleur). Ainsi, le rendement total du système reste bien plus élevé que celui de tout autre micro-onduleur : 96.5%
(Figure 6).
96.5%
Figure 6:
96%
95%
RENDEMENT DU SYSTÈME
La figure montre comment les rendements
combinés et pondérés des optimiseurs de
puissance SolarEdge et des onduleurs sont
supérieures au rendement pondéré des
micro-onduleurs.
92%
SolarEdge
(OP250-LV)
Enphase
(M215)
SolarBridge
(P250LV-240)
Enecsys
(S240W-72)
5. COMMUNICATION
La communication entre les composants électroniques du module et le service de contrôle des données doit être robuste. Certaines
sociétés de micro-onduleurs utilisent des moyens de communication sans fil entre chaque module et une passerelle, soit un
environnement de travail qui n’est pas suffisamment robuste afin de garantir une communication ininterrompue. L’utilisation
d’une communication sans fil dans un environnement urbain apparaît particulièrement problématique.
Le choix souhaité d’une technologie de communication pour les composants électroniques au niveau du module peut se porter
sur une communication par courants porteurs en ligne (CPL), à savoir une communication des données par câble. Dans le domaine
des CPL, les micro-onduleurs utilisent des CPL CA, dans la mesure où ils sont connectés par des câbles CA. Le problème est que
les CPL CA peuvent être facilement interrompus par un appareil électroménager branché à une prise CA dans la propriété. Les
optimiseurs de puissance utilisent des CPL CD connectés à des modules via des câbles CD. En plus de leur robustesse, les CPL
CD fonctionnent aussi dans un environnement de travail complètement isolé (et par conséquent complètement ininterrompu)
; le fonctionnement correct du contrôle au niveau du module est ainsi assuré.
6. COMPATIBILITÉ AVEC LES PARAMÈTRES RÉSEAU
Du fait du nombre d’installations PV en pleine croissance, certains pays européens ont adopté une nouvelle série de codes de
réseau afin de préserver la stabilité du réseau électrique, tels qu’une correction du facteur de puissance active, le maintien
d’alimentation en sous-tension (LVRT), etc. Le système SolarEdge est compatible avec ces codes de réseau alors que les microonduleurs ne le sont pas encore à l’heure actuelle.
7. COÛT DU SYSTÈME ET RETOUR SUR INVESTISSEMENT
a. Coût initial faible:
Un système de micro-onduleur comprend généralement un micro-onduleur par module, des passerelles de communication et
des câbles sources CA onéreux nécessitant des outils dédiés. Le courant limité des câbles sources CA restreint par la suite la
quantité de micro-onduleurs pouvant être connectés à un même câble source. Par conséquent, les installateurs ont encore besoin
de concevoir des chaînes CA et les séparer des disjoncteurs CA. De plus, dans la mesure où il n’existe aucune norme confirmée
pour les connecteurs de câbles sources, la compatibilité avec les anciens systèmes n’est pas forcément garantie.
Le coût initial du système SolarEdge est 20%-35% moins cher que celui d’un système installé avec des micro-onduleurs (Figure
7). Tout d’abord, le coût par unité d’un optimiseur de puissance SolarEdge est inférieur à celui d’un seul micro-onduleur. Comme
décrit dans la section 3 de cette brochure, les optimiseurs de puissance SolarEdge renferment moins de composants que les
micro-onduleurs. Le système SolarEdge comprend aussi un onduleur CD/CA extrêmement rentable en termes de rapport coût/
performance, avec un matériel de communication déjà intégré. De plus, une longueur maximum de chaîne de 25 modules permet
aux installateurs de réduire les coûts de câblage dans un système. Les optimiseurs de puissance SolarEdge sont compatibles avec
les connecteurs PV standard utilisés pour la connexion de modules PV et par conséquent sont faciles à remplacer.
Figure 7:
> 1 passerelle de
communication
Le coût initial d’un système SolarEdge
comparé à un système de micro-onduleur
pour une installation de 5kW, avec le détail
des composants du système requis. Le coût
d’un système SolarEdge est en général
inférieur de 20%-35%.
COÛT
> 20 optimiseurs de
puissance SolarEdge
> 25 ans de garantie par
optimiseur de puissance
> Contrôle du module
gratuit
> 1 onduleur SolarEdge
> 12 ans de garantie
standard, extensible à 25
ans
> Contrôle de l’onduleur
gratuit
SolarEdge
> Câble source AC
> Outils personnalisés
> 20 micro-onduleurs
> 25 ans de garantie
standard par microonduleur
> Contrôle du module à un
coût supplémentaire
Micro-onduleur
b. Retour plus rapide sur investissement:
Ètant donné le coût de départ plus faible, le rendement plus élevé et une atténuation plus efficace des dysfonctionnements, la
solution de SolarEdge présente un meilleur rapport coût-performance par rapport au système de micro-onduleur. Le retour sur
investissement d’une installation avec le système SolarEdge sera par conséquent plus rapide que pour un système installé avec
des micro-onduleurs.
8. ÉCONOMIE D'ÉCHELLE:
Il est un fait établi que le coût d’un onduleur par Watt diminue lorsque la capacité de l’onduleur augmente. En revanche, le
principe d’échelle ne s’applique pas à la balance des composants du système alloués au niveau du module ; leur coût est linéaire
par rapport au nombre de modules dans le système. Tandis que les micro-onduleurs ddupliquent la totalité de l’interface au
réseau pour chaque module, les optimiseurs de puissance permettent à l’étape de la conversion CD/CA de ne se produire qu’une
seule fois sur l’onduleur. Une étape centrale de conversion DC/CA signifie moins de composants et par conséquent une part
significative des coûts reste adaptable. Les optimiseurs de puissance constituent au final une solution plus économique.
MEILLEUR CONCEPT
Tandis que les micro-onduleurs sont au départ plus attractif du fait de leur conception simple, aucun avantage n’existe pour la
solution « tout CA ». En fait, les micro-onduleurs ou les « modules CA » présentent certaines limites. Tout d’abord, les microonduleurs possèdent des capacités limitées en sortie CA, et par conséquent un manque de compatibilité avec de nombreux
modules sur le marché. Les micro-onduleurs ont un taux de sortie limité alors que les modules sur le marché actuel tendent à
des coupures de courant au niveau du module. De plus, les micro-onduleurs possèdent une plage MPPT restreinte réduisant leur
rendement pour les zones partiellement ombragées et leur durée de fonctionnement. La communication des données dans un
environnement CA souffre aussi d’interférences. Finalement, le choix d’utilisation de condensateurs électrolytiques ainsi que
le nombre important de composants remettent en question la fiabilité du système de micro-onduleur et entraînent des coûts
supplémentaires.
Par contre, les optimiseurs de puissance travaillent efficacement dans un environnement CD de systèmes PV tout en fournissant
toutes les caractéristiques requises au niveau du module. Les installateurs utilisant des optimiseurs de puissance bénéficient
d’une compatibilité complète au niveau du module, une grande fiabilité de produit, un rendement plus élevé, un domaine de
suivi plus large du MPP avec une tension MPPT faible et une communication par courants porteurs en ligne CD ininterrompue.
De plus, les optimiseurs de puissance et le système SolarEdge en particulier offrent une solution plus rentable en termes de
coût-performance dans la mesure où la conversion CD/CA reste centralisée dans l’onduleur. Il permet de maintenir le système à
un coût faible et adaptatif par rapport à celui des micro-onduleurs. Les optimiseurs de puissance bénéficient tout simplement
d’une meilleure conception.