T H È S

T
TH HÈ ÈS SE E
En vue de l'obtention du
D
DO OC CT TO OR RA AT T D DE E L L’ ’U UN NI IV VE ER RS SI IT TÉ É D DE E T TO OU UL LO OU US SE E
Délivré par l'Université Toulouse III - Paul Sabatier
Discipline ou spécialité : Génie Electrique
JURY
MAYER Didier Rappoteur
SCHAEFFER Christian Rapporteur
MATTERA Florence Examinatrice
BIDAN Pierre Examinateur
VERMEERSCH Marc Examinateur
Ecole doctorale : GEET
Unité de recherche : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes
Directeur(s) de Thèse : ALONSO Corinne Directrice de Thèse
ESTIBALS Bruno Co-directeur de Thèse
Rapporteurs : MAYER D., SCHAEFFER C.
Présentée et soutenue par M. PETIBON Stéphane
Le 20 Janvier 2009
Titre : Nouvelles architectures distribuées de gestion et de conversion de l’énergie pour
les applications photovoltaïques

I

II
A MES PARENTS, JEAN-CLAUDE ET JOCELYNE
A MA SŒUR, NATHALIE

II
AVANT PROPOS
Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse a été effectué au sein du groupe
Intégration de Systèmes de Gestion de l’Énergie dans le Laboratoire d’Analyse et
d’Architecture des Systèmes du CNRS de Toulouse.
Je remercie Monsieur Chatila, directeur du LAAS, ainsi que Monsieur Sanchez, co-
directeur, pour m’avoir permis d’effectuer cette thèse dans ce laboratoire d’excellence. Je
remercie tout autant Madame Bafleur qui dirige actuellement le groupe ISGE pour permettre à
ses chercheurs et doctorants d’évoluer dans des conditions matérielles de travail optimales.
Je voudrais aussi remercier l’aide et la collaboration de Lionel Séguier (Joe Bar
Team), Cédric Cabal (L’Aveyron-Girondin), Adan Simon (The Globetrotteur) et Jean-
François Reynaud (El Franco-Espagnol). Sans cette équipe de choc, mes travaux de thèse
n’auraient pas été aussi complets. Ils ont aussi su créer et entretenir une ambiance convivial
au sein du groupe (autour d’un café ou d’une pinte de Guinness).
Je n’oublie pas bien sûr mes collègues de bureau qui m’ont supporté et soutenues
pendant ces trois années. Je pense bien sure à Julie Le Gal pour ses conseils et son humour, à
Florence Capy pour ses fou-rires, à Gabriel Civrac pour ses rébus surprenant et le petit
dernier, Elias Al Alam, pour ses questions perspicaces sur la langue française.
Je remercie l’appui et la gentillesse de Sylvain Godet, Aloña Berasategi, Pierre Aloïsi,
Olivier Gantet, Cyril Lahore, Frédéric Blanc, Vincent Boitier. Et à toutes les personnes
appartenant ou non à la famille du LAAS, qui ont contribué de près ou de loin, directement ou
indirectement à l’aboutissement de ce travail, trouvez ici le témoignage de ma profonde
reconnaissance.
Je tiens particulièrement à remercier Monsieur Jean-Marc Roussel professeur
d’électronique de puissance à l’IUT de Châteauroux. Enseignant passionné et très pédagogue,
il a su me captiver et me guider vers des études supérieures sur Toulouse.
Je tiens également à exprimer ma reconnaissance envers Monsieur Bruno Estibals, co-
directeur de thèse, pour ces qualités humaines et ses nombreux conseils tout au long de ce
travail de recherche.
Le lien qui unit un doctorant à son directeur de thèse est très particulier. Il ne s’agit pas
d’un rapport professeur-élève et encore moins chef-employé. Il consiste à transmettre, aider et
motiver sans non plus étouffer. C’est délicat et complexe. Corinne Alonso a superbement joué
ce rôle. J’ai tendance à croire que les vrais éloges sont silencieux….
Les remerciements (souvent la seule partie lue à la fois en intégralité et par tous les lecteurs..)
sont clos. Place à la thèse.

III
TABLE DES MATIÈRES
1.INTRODUCTION GÉNÉRALE. ................................................................................................. 1
2.DÉVELOPPEMENT PHOTOVOLTAÏQUE, PERSPECTIVES ET R&D. ........................................... 7
2.1.Introduction. ........................................................................................................................... 9
2.2.La conversion photovoltaïque. ............................................................................................. 10
2.2.1.Principe de la conversion Photoélectrique. .................................................................... 10
2.2.2.Modélisation électrique d’une cellule photovoltaïque. .................................................. 13
2.3.Les différentes filières photovoltaïques. .............................................................................. 15
2.3.1.La filière à base de Silicium Cristallin. ......................................................................... 15
2.3.2.Les cellules multi-jonctions à haut rendement. ............................................................. 18
2.3.3.Nouvelles technologies photovoltaïques. ...................................................................... 20
2.3.4.Technologie couche-mince. ........................................................................................... 22
2.4.Projet de recherche ATOS. .................................................................................................. 29
2.5.Conclusion. .......................................................................................................................... 31
3.LES DIFFÉRENTES CHAÎNES DE CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE ET LEURS ÉVOLUTIONS.... 39
3.1.Introduction. ......................................................................................................................... 41
3.2.Architecture classique d’un générateur photovoltaïque. ...................................................... 42
3.3.Définitions des rendements associés à la chaîne de conversion. .......................................... 45
3.4.La connexion directe GPV-charge comme mode de transfert de puissance. ....................... 47
3.5.La connexion GPV-charge via un étage d’adaptation continu-continu. .............................. 49
3.5.1.Introduction. .................................................................................................................. 49
3.5.2.Principe de fonctionnement d’un étage d’adaptation DC-DC. ...................................... 49
3.5.3.Les avancées. ................................................................................................................. 51
3.5.4.Intérêts de la discrétisation. ........................................................................................... 53
3.6.La connexion GPV-charge via un étage d’adaptation continu-alternatif. ............................ 55
3.6.1.Introduction. .................................................................................................................. 55
3.6.2.L’onduleur central. ........................................................................................................ 56
3.6.3.Les onduleurs strings. .................................................................................................... 57
3.6.4.Les onduleurs intégrés aux panneaux PV. ..................................................................... 58
3.6.5.La conversion multi-string ............................................................................................ 59
3.7.Étude de nouvelles architectures d’association pour cellule tandem dans le cadre ATOS. . 61
3.8.Conclusion. .......................................................................................................................... 66
4.DÉVELOPPEMENT D’ARCHITECTURES DISTRIBUÉES DÉDIÉES AU PHOTOVOLTAÏQUE. ......... 69
4.1.Introduction. ......................................................................................................................... 71
4.2.Les micro-convertisseurs comme étages d’adaptation. ........................................................ 72
4.3.Étude d’un micro-convertisseur BUCK utilisé comme étage d’adaptation. ........................ 74
4.3.1.Étude d’un micro-convertisseur BOOST utilisé comme étage d’adaptation. ................ 77
4.3.2.Synthèse et bilan de puissance. ..................................................................................... 79