Le phénomène photovoltaïque

Énergie photovoltaïque
Kamal Al-Haddad, Ph.D., P. Eng. FCAE, FIEEE
Professeur et titulaire de la chaire de recherche du Canada
Conversion de l’énergie électrique et électronique de puissance
Directeur groupe de recherche GRÉPCI
Département de génie électrique
Plan de la présentation
 Généralités sur les principales énergies existant sur la terre
 Phénomène photovoltaïque
 Dopage et niveau d’énergie
 Rendement d’une cellule
 Circuits équivalents d’une cellule photovoltaïque
 Assemblage d’un module photovoltaïque
 Circuits de base du convertisseur DC/DC
 Point de fonctionnement
 Fonctionnement avec MPPT
 Système autonome/relié au réseau électrique
 Exemple d’implantation dans matlab
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2
Généralités sur les principales
énergies existant
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ENERGIES RENOUVELABLES
1.
Une énergie renouvelable comme son nom l’indique est une
source d’énergie qui se renouvelle constamment suivant un cycle
naturel bien défini pour être considérée comme inépuisable.
2. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels
réguliers ou constants provoqués par le système solaire. Elle
sont créer principalement par Soleil (rayonnement), mais aussi
les
autres
planètes
par
exemple:
la
Terre
(énergie
géothermique), la Lune (marée) , le vent (puissance éolienne) .
Ces énergies sont considérée propre car elles sont utilisables sans
émission de CO2 et elle sont inépuisables donc renouvelables
4
Énergie solaire exemple d’utilisation:
Chauffe eau solaire (panneaux solaires à collecteur)
Il faut utiliser de
l’électricité pour le
pompage
5
Centrales électriques thermiques solaires (miroirs paraboliques
ou cylindroparaboliques)
Déjà dans l’antiquité, les Grecs allumaient la flamme
des Jeux olympiques à l’aide d’un miroir parabolique
(skafia)
6
Centrales électriques thermiques solaires (miroirs plans)
Puissance qui peut atteindre 150MW
(californie « solar two »)
Fours solaires (ici four d’Odeillo dans les Pyrénées-Orientales)
Température qui peut atteindre 3800°C ⇒ traitement thermique de
certains matériaux – puissance 1000kW
7
Énergie hydraulique :
• L'énergie hydraulique est l’énergie mise en jeu lors du
déplacement ou de l'accumulation d'un fluide incompressible
telle que l'eau douce ou l'eau de mer.
• Ce déplacement va produire un travail mécanique qui est utilisé
directement ou converti sous forme d'électricité.
Applications : Celle-ci est donc utilisée dans les barrages pour
permettre de produire de l’électricité, mais aussi dans la mer avec
l’énergie marémotrice, l’énergie des vagues et l’énergie hydrolienne
qui utilisent la puissance due aux déplacements de l'eau de mer pour
faire tourner des turbines et entraîner ainsi des alternateurs.
8
Usine marémotrice (de la
Rance en Bretagne) : qui
utilise l’énergie due aux
marées
Hydroliennes : qui utilisent la
force des courants marins
La + grande au monde
Puissance
240MW
Barrage hydraulique
9
Énergie éolienne :
Elle utilise la force du vent. Celui-ci est
dû à des différences de pressions
atmosphériques locales qui proviennent
de différences d'échauffement de l'air
par le soleil.
10
Énergie de la biomasse :
La biomasse (ensemble de la matière végétale) est une véritable
réserve
d’énergie,
captée
à
partir
du
soleil
grâce
à
la
photosynthèse. (processus biologique au cours duquel les végétaux
utilisent, grâce à l'énergie lumineuse, le gaz carbonique et l'eau pour
produire des sucres (amidons notamment) et rejeter de l'oxygène).
Combustion de résidus
forestiers dans une
chaudière
Production
d’énergie par
Fermentation
(méthanisation) :
production de biogaz
ou biocarburants
2 grandes tours de biométhanisation,
production du biogaz à partir de la partie
organique des déchets
11
Énergie géothermique :
La géothermie consiste à capter la
chaleur contenue dans la croûte
terrestre pour produire du chauffage ou
de l’électricité.
Centrale géothermique en Islande
Applications suivant la profondeur :
• Production
d’électricité
(en
France centrale géothermique de
Bouillante en Guadeloupe qui permet
l’alimentation de 9% de besoins de
l’île)
• Réseaux de chauffage urbain
• Chauffage
et
climatisation
individuelle
12
Centrale nucléaire :
Une centrale nucléaire produit de l'énergie électrique en utilisant la
fission nucléaire pour produire la chaleur nécessaire à la production de
l’électricité. Elle utilise pour cela la chaleur libérée par l'uranium qui
constitue le "combustible nucléaire". L'objectif est de faire chauffer de
l'eau afin d'obtenir de la vapeur. La pression de la vapeur permet de faire
tourner à grande vitesse une turbine, laquelle entraîne un alternateur qui
produit de l'électricité. (principe similaire à celui d’une centrale
thermique)
13
Centrale nucléaire de ST Alban du Rhône (Isère - 50km de Lyon)
Mise en service : 1985
2 réacteurs
de 1300MW
Produit en moyenne par an 16 milliard de kWh soit par an l’énergie
consommée par 11 villes comme Lyon.
14
Phénomène photovoltaïque
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15
Cellules photovoltaïques
La cellule photovoltaïque est composée d’un matériau semi-conducteur qui absorbe
l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique
Exemple de cellule photovoltaïque de Exemple de cellule photovoltaïque de
première génération jonction p-n
deuxième génération, couche mince
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Panneau solaire : Fabrication des modules
Le silicium est placé
dans un creuset
Il est fondu (temp : 1430°C)
en lingot
Le lingot est
découpé en briques
L’énergie nécessaire à la fabrication d’un module représente
10% de l’énergie que ce module produira pendant sa vie
Les cellules sont assemblées
pour constituer un module et
encapsulées dans du plastique
Les plaques sont transformées
en cellules (dopage bore +
phosphore,couche antireflets,
contact métalliques)
Les briques sont
découpées en plaques
17
Applications :
1 m² de cellules photovoltaïques délivre une puissance
d'environ 100 à 200 W.
18
Comment la cellule photovoltaïque produit de
l’électricité
La cellule photovoltaïque permet la conversion directe de l'énergie lumineuse en
énergie électrique. Son principe de fonctionnement repose sur l'effet
photovoltaïque.
19
19
Énergie photovoltaïque et centrale photovoltaïque:
Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
absorption des photons
contact sur zone N
zone dopée N
semi-conducteur
zone dopée P
génération des porteurs
I
collecte des
porteurs
contact sur zone P
20
Dopage et niveau d’énergie
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21
Dopage des semi-conducteurs
•
Pour doper un semi-conducteur, on introduit des impuretés
dans sa structure, qui vont créer un surplus de charges
positives (couche P du semi-conducteur) ou négatives
(couche N du semi-conducteur).
•
Lorsque l’on effectue deux dopages différents (type N et
type P) de part et d’autre de la cellule, il en résulte un
champ électrique constant créé par la présence d’ions fixes
positifs et négatifs.
•
Le champ électrique permet aux électrons de circuler
uniquement dans une direction, on parle alors de diode
photoélectrique.
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1ère génération
•
Les cellules de première génération sont basées sur une
seule jonction p-n et utilisent généralement le silicium sous
forme cristalline comme matériau semi-conducteur.
•
La méthode de production basée sur les wafers (tranche
assez fine) de silicium est très énergivore et donc très chère.
Elle nécessite par ailleurs un silicium d'une grande pureté.
•
On différencie également les cellules à base de silicium
monocristallin et polycristallin.
•
Ces dernières ont un rendement inférieur par rapport aux
premières, mais ont un coût de fabrication moins élevé.
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23
2ème génération
•
Les couches minces ("thin films") constituent la seconde
génération de technologie photovoltaïque.
•
Dans cette génération, on distingue le silicium amorphe
(a-Si), le disélénium de cuivre indium (CIS), le tellurure
de cadmium (CdTe), entre autres.
•
Dans le cas de couches minces, la couche de semiconducteur est directement déposée sur un substrat
(par exemple du verre).
•
La production de ce type de cellules est moins coûteux
que la première génération puisqu'elle consomme
moins de matériau semi-conducteur et ne nécessite pas
de passer par l'étape de transformation du silicium en
"wafers".
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2ème génération(suite)
•
Le problème des cellules de seconde génération est leur
rendement moindre (6-7% et 14% en labo) et la toxicité de
certains éléments (cadmium) pour leur fabrication.
•
Cependant, cette seconde génération a beaucoup
d'avantages pour des marchés de niche comme les
applications en modules flexibles, avec de faibles
illuminations ou avec des températures élevées.
•
Le disélénium de cuivre Indium (CIS) qui est au stade de la
production industrielle et offre un rendement de 10 à 12 %
pour ses modules commerciaux ne présente pas les
problèmes de toxicité du cadmium.
•
Les réductions de coût attendues à moyen terme pour cette
technologie sont donc très prometteuses.
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3ème génération
•
La troisième génération vise à passer la limite maximale de
rendement des cellules actuelles, qui est d'environ 30%.
•
Plusieurs concepts sont envisagés pour atteindre cet
objectif :
– superposition de multiples cellules à concentration (utilisant des
bandes d'énergie différentes)
– utilisation des photons à basse énergie qui ne sont habituellement
pas absorbés par la cellule
– cellules à électrons chauds produisant plus de pairs électron/trou
pour des énergies supérieures à la bande d'énergie
– Conversion des photons pour ajuster le spectre de la lumière
solaire aux caractéristiques du semi-conducteur.
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Diode (Jonction P-N)
 Caractéristiques courant-tension d’une diode
Particularité des longueurs d’onde
• Le soleil émet des particules, appelées photons, en très
grandes
quantités c'est le rayonnement solaire. Ces flux de photons qu'on
appelle également radiations ou rayons, voyagent dans l'espace
à la vitesse de 300 000 km/s et atteignent la terre à différentes
longueurs d'ondes.
• On distingue par leur longueur d'onde les différents types de
rayons: c'est le spectre solaire.
• Les rayons de longueur d'ondes très courtes (les rayons x,
gamma), extrêmement dangereux, sont heureusement arrêtés
dès les couches supérieures de l'atmosphère.
• Les rayons de longueur d'onde très longues (ondes radio) sont
très faibles à la surfaces de terre.
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• Les Ultraviolets (UV), de 200 nm à 400 nm,
invisibles, sans échauffer, provoquent des
dommages sur les cellules
• La Lumière visible, de longueur d’onde 400 à 800
nm. ils nous permettent de distinguer les formes et
les couleurs
• Les Infrarouges (IR), de 800 à 1400 nm, invisibles,
chauffent la matière solide ou gazeuse qu'ils
rencontrent.
Mesure
Unité SI value of unit
Energie
eV
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1.60210−19 J
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Lorsqu’une onde électromagnétique se propage dans le
vide, sa vitesse est égale à la vitesse de la lumière c dans
le vide, on a donc :
où :
Lambda est la longueur d’onde dans le vide de l’onde ;
c est la vitesse de la lumière (≈3×108 m/s) ;
v est la fréquence de l’onde
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Fréquences et longueur d’ondes
Longueur d’onde (dans
le vide)
Domaine
Fréquence
supérieure à 10 m
radio
inférieure à 30 MHz
de 1 mm à 30 cm
micro-onde (Wi-Fi,
téléphones portables,
radar, etc.)
de 300 MHz à 1 GHz
de 780 nm à 500 µm
infrarouge norme
NF/en 1836
de 385 Thz à 600 GHz
de 380 nm à 780 nm
lumière visible
de 789 THz à 385 THz
de 10 nm à 380 nm
ultraviolet
de 30 PHz à 789 THz
de 10 pm à 10 nm
rayon X
de 30 EHz à 30 PHz
inférieure à 10 pm
rayon γ
supérieure à 30 EHz
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Commentaire
incluse dans les
ondes radio
rouge (620-780 nm)
orange (592620 nm)
jaune (578-592 nm)
vert (500-578 nm)
bleu (446-500 nm)
violet (380-446 nm)
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- Dans un semi-conducteur un courant électrique est favorisé par deux types de
porteurs: les électrons (porteurs négatifs) et les trous (porteurs positifs).
- Dopage N: excès d'électrons porteurs dans le semi-conducteur.
- Dopage P: excès de trous (déficit d’électrons) dans le semi-conducteur.
- Jonction PN:
Jonction PN
polarisée en
direct
Jonction PN
polarisée en
inverse
Rendement d’une cellule
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Rendement d’une cellule
Source : Systèmes Solaires – hors série spécial recherche solaire – juillet 2006
Type
Rendement
cellule (en labo)
Module
(en
lab
o)
Module
(commercial)
Niveau de développement
1ère génération
Silicium
monocristallin
24,70%
22,70%
12-20%
Production industrielle
Silicium polycristallin
20,30%
16,20%
11-15%
Production industrielle
2ème génération
Silicium amorphe
13,40%
Silicium cristallin
en couche
mince
CIS
19,30%
CdTe
16,70%
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10,40%
5-9%
Production industrielle
9,40%
7%
Production industrielle
13,50%
9-11 %
Production industrielle
6-9%
Prêt pour la production
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Exemple de calcul de rendement d’un module photovoltaïque
1-Le rendement d’un module est donc égal à sa puissance crête par m² (en W/m²) divisé
par 1000 W/m².
Exemple:
Si un panneau de 200 Wc a une superficie de 1,6 m².
Sa puissance crête par m² est donc égale à 200/1,6, soit 125 Wc/m².
Le rendement de ce panneau peut être calculé ainsi: 125/1000 = 12,5 %
2-un champ phovoltaïque étalé sur 300m par 1000m utilisant des cellules commerciaux
types polycristallins.
Calculer la puissance en W fournie par le champ
La surface du champ est 300m*1000m=300 000 m2
Si le rendement des cellules commerciaux est de 11%
Chaque m2 génère alors 110 watts crête par mètre carré
La puissance fournie par le champs sera: 300000*110=33,000,000 = 33 MW
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Si le coût du watt est de 0.5$, alors le coût du champ est 16.5 M$
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Exemple
2-un champ photovoltaïque étalé sur 300m par 1000m utilisant des
cellules commerciaux types polycristallins.
Calculer la puissance en W fournie par le champ
La surface du champ est 300m*1000m=300 000 m2
Si le rendement des cellules commerciaux est de 11%
Chaque m2 génère alors 110 watts crête par mètre carré
La puissance fournie par le champs sera: 300000*110=33,000,000 = 33
MW
Si le coût du watt est de 0.5$, alors le coût du champ est 16.5 M$
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Circuits équivalents d’une
cellule photovoltaïque
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La jonction PN
Caractéristiques d’une diode à jonction p-n permettant
le passage d’un courant unidirectionnel de p vers n
I0 = Courant inverse de saturation en A
Id = Courant traversant la diode en A
Vd = Chute de tension directe en V
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L’équation du courant dans la diode est:
Id=I0(eqVd/KT - 1);
où qVd/KT = (Vd/T)*(1.60210-19/1.381 10-23 )
q = quantité des charges 1.602*10-19 C
k = constante de Boltzmann = 1.381*10-23 J/°K
T = température de la jonction en degré °K,
[°C] = [K] − 273.15
Id=I0(eqVd/AKT - 1) ;
où A est un facteur de mécanisme a savoir diffusion ou bien
recombinaison, A=2 propriété des diodes Schottky
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51
Exemple:
Une diode à utilisation générale du type PN opérant à
25 degrés Celsius et a un courant inverse de 10-9A.
Calculer la chute de tension directe si le courant qui la
traverse = 1A.
Quelle sera Vd si le courant directe est devenu égale à 10
A.
Réponse
Id=I0(eqVd/KT -1)
Vd = (KT/q) [ln(Id/Io + 1)]
= (1,381*10-23*(25+273) /(1,602*1019)[ln(1/10-9 + 1] = 0.558 V
Si Id = 10A, Vd sera alors = 0.592 V
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Paramètres d’une cellule photovoltaïque réelle
RS
iD
i SC
RP
i PV
vPV
Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque réelle
Les paramètres à définir sont :
•Tension en circuit ouvert (VOC)
•Courant de court-circuit (ISC)
•Puissance maximale PMAX
•Courant IMP à PMAX
•Tension V MP à PMAX
•Facteur de forme (FF)
•Résistance parallèle (RP)
•Résistance séries (RS)
•Rendement maximale (ηMAX)
•Maximun Point power Tracking (MPPT)
53
•Courant de court-circuit (ISC)
Il s’agit du courant obtenu en court-circuitant les bornes de la cellule (en prenant V= 0, dans
le schéma équivalent). Il croît linéairement avec l’intensité d’illumination de la cellule et
dépend de la surface éclairée, de la longueur d’onde du rayonnement, de la mobilité des
porteurs et de la température. I (à V=0) = ISC
54
• Tension en circuit ouvert (VOC)
La tension en circuit ouvert est obtenue quand le courant qui traverse la cellule est nul. Elle
dépend de la barrière d’énergie et de la résistance shunt. Elle décroît avec la température et
varie peu avec l’intensité lumineuse V (à I=0) = VOC
• Puissance maximale (PMAX), Courant à PMAX (IMP), Voltage à VMP
La puissance produite par une cellule en Watts peut être facilement calculée en utilisant le
produit P=IV.
Aux points du courant ISC et de la tension VOC, la puissance serait nulle et la valeur maximale
se produira entre les deux.
La tension et le courant au point de la puissance maximale sont notés VMP et IMP
respectivement.
55
Facteur de forme (FF)
Le facteur de forme (FF) est essentiel pour mesurer la qualité d’une cellule solaire.
Il est calculé en comparant la puissance maximale à la puissance théorique (PT) qui serait
la sortie pour un circuit ouvert et pour un court-circuit ensemble.
FF peut aussi être interpréter graphiquement comme le rapport de la surface rectangulaire
montrée à la figure 5.
•
Une valeur large du facteur de forme factor est désirable, et correspond pour une courbe
I-V qui a une forme d’un carré.
•
Typiquement le facteur de forme varie de 0.5 to 0.82. Le facteur de forme est aussi
souvent représenté par un pourcentage.
56
Rendement
Le rendement est le rapport de la puissance électrique à la sortie Pout, sur la
puissance disponible sur la surface de la cellule photovoltaïque (puissance
d’entrée) Pin.
Pout peut être prise comme PMAX du moment que la cellule
photovoltaïque pourra être opérée à cette puissance maximale pour avoir un
rendement maximal.
La puissance d’entrée Pin est prise comme le produit de l’ensoleillement (irradiance)
mesuré en W/m2 ou le soleil fournit (1000 W/m2).
Le rendement maximal (ηMAX) calculé n’est pas le seul indicateur de la performance du
module ou de la cellule sous test, tous les paramètres de la courbe I-V seront aussi
affectés par des conditions ambiantes comme la température, le niveau d’éclairage.
Il est recommandé de tester et de comparer Les modules PV en utilisant les mêmes
conditions (température, éclairage,…).
57
Exemple de calcul de rendement
Le rendement d’un module est donc égal à sa puissance crête fournie par m² (en W/m²)
divisée par l’irradiance 1000 W/m².
Exemple: un panneau de 200 Wc a une superficie de 1,6 m², sa puissance crête par m² est
donc de 200/1,6, soit 125 Wc/m².
Le rendement de ce panneau est donc de : 125/1000 = 12,5 %
58
Résistance parallèle
La résistance parallèle (ou shunt) caractérise les pertes par
recombinaison des porteurs
dues aux défauts structurales du
matériau épaisseurs des régions N et P et de la zone de charges
d’espace.
L’existence de fissures et de défauts de structures complexes devient
le siège de phénomène physique assimilable aussi à une résistance
parallèle RP.
L’ordre de grandeur de la résistance parallèle pour une cellule au Si :
RP = 100 Ω à 100 kΩ.
La résistance shunt RP modélise les courants parasites qui traversent
la cellule.
59
Influence de la variation de Rsh sur la caractéristique I-V d’une cellule
•Résistance série
La résistance série caractérise les pertes par effets Joule de la résistance propre du
semi conducteur et les pertes à travers les grilles de collectes et les mauvais
contacts ohmiques de la cellule.
Les contacts semi conducteur-électrodes à résistance élevée abaissent
appréciablement la tension et le courant de sortie ce qui va limiter le rendement de
conversion.
La résistance série RS modélise les pertes ohmiques du matériau.
60
•Comportement d’une cellule photovoltaïque sans lumière
Si la cellule photovoltaïque n’est pas soumise à aucun éclairage, la
courbe ci-dessous montre le résultat obtenu.
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61
Effet de la température sur le comportement de la cellule photovoltaïque
La Figure ci-dessous montre l’effet de la température sur la caractéristique de la
courbe I-V.
Quand
la
cellule
photovoltaïque
est
exposée
à
de
hautes
températures, ISC augmente légèrement, alors que VOC présente une diminution
assez significative.
Fig. 9 – Effet de la température sur la courbe I-V
62
Modèle incluant la résistance série
63
Les effets de la chaleur
Kyocera 120 W, multicrystal module de silicium
En observant les courbes, on peut constater que :
Quand la température augmente, la tension en circuit ouvert
Voc diminue rapidement alors que le courant de court circuit
augmente légèrement.
Les cellules photovoltaïque performent mieux à basse
température et sans nuage.
Pour le silicium cristallin, Voc diminue de 0.37% pour chaque
augmentation de 1 degré Celsius et Isc augmente
approximativement de 0.05%.
Conséquences:
MPPT se déplace vers le haut et à gauche sur le courbe I=f(v)
La puissance diminue de 0.5% pour chaque augmentation
d’un degré C.
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64
Impact de la température (suite)
La température des cellules varie, à cause du changement de la
température ambiante, mais aussi à cause du niveau de radiation.
Seulement une partie des photons sert pour la production de
l’énergie. La majeure partie de l’énergie reçue est convertie en
chaleur.
NOCT: Nominal Operating Cell Température,
Le NOCT est définie pour une température d’opération de 20 degrés C, d’une
radiation de 800 W/m2, et à une vitesse du vent de 1m/s
Tcell = Tamb+ [(NOCT-20 )/0.8]*S
Tcell = température des cellulles
Tamb = température ambiante
S = radiation solaire kW/m2
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Exemple de calcul
Estimer la température des cellules, Voc, et Pmax, pour un module
de type 150 W BP2150S dans les conditions suivantes:
S =1, Tamb= 30 degrés C, et un NOCT de 47 degrés
Solution
Pour un S= 1kW/m2,
Tcell = Tamb+ [(NOCT-20 )/0.8]*S
Tcell = 30 + [(47-20)/0.8]*1 = 64 degrés
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66
Solution
Calcul de Voc
D’après la table, Voc = 42.8 V, or Voc diminue de
0.37% par degré
Voc = 42.8 [ 1- 0.0037(64-25)] = 36.7 V
La puissance max doit chuter de 0.5% par degré pour
ce module de 150 W
Pmax = 150 [1- 0.005(64-25)] =121 W
Ceci correspond à une diminution de
Diminution=(150-121)/150= 19.3%
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67
E = miscellaneous subjects;
1036 = assigned sequential number
12 = year of original adoption (or, in the case of revision, the year of last revision)
ASTM E1036 - 12 (American Society for Testing and Materials (ASTM) )
Standard Test Methods for Electrical Performance of Nonconcentrator
Standard Test
Methods for
Electrical Performance
of Nonconcentrator
Photovoltaic Modules
Terrestrial
Photovoltaic
Modules
and Arrays Terrestrial
Using Reference
Cells and Arrays Using Refer
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68
La tension à la sortie de chaque cellule dépend du type de matériau ( largeur de
la bande de conduction eV) et diminue graduellement avec l’augmentation de la
température
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69
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70
Relation courant tension obscurité et lumière
I = Isc- Id = ISC- I0(eqVd/KT -1)
Quand Vd = Voc, I = 0 A
Voc = (KT/q) ln (Isc/I0 + 1)
À 25 degrés Celsius, Voc= 0.0257 ln (Isc/I0 + 1)
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71
Variation des niveaux d’ensoleillement
Soit une cellule photovoltaïque de 100 cm2, ayant comme
caractéristiques : un courant inverse de saturation 10-12 A/cm2. En
plein soleil et à 25 degrés Celsius, la cellule produit un courant de
court circuit Isc = 40 mA/cm2. Calculer la tension en circuit ouvert à
100 % et à 50% d’ensoleillement.
Le courant inverse I0 est:
I0 =10-12 A/cm2 * 100 cm2 = 10-10 A
En plein soleil,
Isc= 0.04A/cm2 * 100 cm2
Isc = 4A
Voc = 0.0257 ln(Isc/I0 + 1) = 0.627 V
Voc = 0.610 V à mi-ensoleillement
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72
Variation des niveaux d’ensoleillement
Soit une cellule photovoltaïque de 100 cm2, ayant comme caractéristiques
: un courant inverse de saturation 10-12 A/cm2.
En plein soleil et à 25 degrés Celsius, la cellule produit un courant de
court circuit Isc = 40 mA/cm2.
Calculer la tension en circuit ouvert à 100 % et à 50% d’ensoleillement.
Le courant inverse I0 est:
I0 =10-12 A/cm2 * 100 cm2 = 10-10 A
En plein soleil,
Isc= 0.04A/cm2 * 100 cm2
Isc = 4A
Voc = 0.0257 ln(Isc/I0 + 1) = 0.627 V
Voc = 0.610 V à mi-ensoleillement
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73
Maximum Power Point Tracking MPPT
D'un point de vue expérimental, les cellules
photovoltaïques (PV) présentent de grandes
variances de leur puissance électrique en
fonction des conditions météorologiques.
De plus, quand elles sont connectées à une
charge, certains problèmes apparaissent, et la
puissance transférée à la charge correspond
rarement à la puissance maximale délivrée par
le générateur PV.
74
Maximum Power Point Tracking MPPT
Fig.10 Caractéristique I-V et P-V montrant la puissance PMAX
75
Pour avoir la meilleure connexion entre une source non linéaire et
une charge arbitraire et extraire la puissance maximale, le Maximum
Power Point Tracking (MPPT) a été développé depuis 1968.
Quand une source d'énergie est connectée à une charge, le point de
fonctionnement est déterminé en prenant l'intersection de la
caractéristique électrique I-V avec celle de la charge.
Ce point de fonctionnement varie du fait que la source d'énergie ou
la charge varie à tout moment.
C'est pourquoi, souvent, on n'opère pas au MPP, et la puissance
fournie à la charge est inférieure à la puissance maximale que l'on
pourrait fournir.
76
Circuit équivalent
I = Isc- Id = ISC - I0(eqVd/AKT -1)
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77
Circuit
équivalent
plus efficace
Si les cellules sont placées en série, et si une des cellules est
dans l’ombre, elle ne produit pas un courant électrique.
Dans le modèle initial, cette cellule obstrue le courant des
autres cellules. Dans ce cas, le courant devient nul.
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78
Circuit équivalent plus efficace
Conséquence : pas d’énergie transmise à la charge en
théorie; mais dans la réalité, un courant faible continue à
circuler.
Un nouveau circuit équivalent tenant compte de l’ombrage
est nécessaire;
un modèle plus complexe tel qu’une résistance parallèle est
alors nécessaire pour mieux représenter les cellules du
circuit .
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79
Circuit équivalent ajusté
Le courant à la sortie est donné par (loi des nœuds)
I = (Isc- Id) – IRp
I = (Isc- Id) – V/Rp
Rp = Résistance de fuite primaire, courant de fuite V/Rp.
Pour que les pertes occasionnées par la présence de cette résistance
de fuite soient inférieures à 1%, il faut que Rp soit plus grande que
Rp ≥ 100 Voc /Isc
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80
Courbe I = f(V) tenant compte de la résistance parallèle
Fonctionnement réel
Pour une cellule puissante, Isc = 7A, Voc=0.6
donc Rp doit être supérieure à 9Ω
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81
circuit équivalent incluant une résistance série
Rs = résistance de contact, résistance du fil, résistance du semiconducteur
I = Isc - Id = Isc - I0(eqVd/KT -1)
Vd = V+ IRs
I = Isc - Id = Isc - I0(eq(V+IRs)/KT -1)
Fonctionnement réel
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82
Modèle général incluant la résistance en série et
la résistance en parallèle
I = Isc-I0 [exp[q(V+IRs)/KT -1)] – (V+IRs)/Rp,
I= Isc-I0 [(e38.9(V+IRs) -1)] – (V+IRs)/Rp, à 25 degrés
C’est une équation complexe sans solution directe pour
extraire V et I.
Il faut résoudre cette équation en dessinant
la courbe de I = f(v) en incrémentant la valeur de Vd.
Pour chaque valeur de Vd correspond un I et un V.
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83
Les courbes I = f(v) pour Rp=1 Ω et Rs=0.05 Ω
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84
Les courbes I = f(v) pour Rp=1 Ω et Rs=0.05 Ω
Isc = I + Id+ Ip
I = Isc - I0 [(e38.9Vd -1)] – Vd/Rp
V = Vd - RsI
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85
Fonctionnement à vide et en court-circuit
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86
Courbe de puissance, et apparition du Pmax
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87
Identification du MPPT et du facteur de remplisage
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88
Identification du MPPT et du facteur de remplisage
Facteur de remplissage:
FR = Puissance max à la sortie/VocIsc
Pour une cellule du type Silicium crystalline
FR = 70% - 75%
Pour une cellule du type multijonction amorphe
Silicium
FR= 50% - 60%
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89
90
Assemblage d’un module
photovoltaïque
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91
Le courant à la sortie de chaque cellule dépend de sa surface et de l’intensité lumineuse
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92
Les cellules peuvent être câblés en série pour augmenter la
tension à la sortie ou bien en parallèle pour augmenter le
courant de sortie
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93
Les cellules sont assemblés en module et les modules en matrice ou champ
La puissance nominale est mesuré dans les conditions suivantes:
- 1 kW/m2
- 25 degrés Celsius
- 1 m/s vitesse de vent
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94
Exemple de plaque signalétique d’un module photovoltaïque
fabriqué par Siemens
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95
Assemblage d'un module photovoltaïque
• Le but de cette association est triple :
– Obtenir une tension suffisante grâce à la
connexion en série de nombreuses cellules,
– Protéger les cellules et leurs contacts
métalliques contre les conditions ambiantes
(humidité surtout),
– Protéger mécaniquement les cellules, qui
sont très fragiles.
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96
Assemblage d'un module photovoltaïque
• Les matériaux utilisés pour l'encapsulation
doivent avoir une durée de vie élevée pour
résister aux variations de température et à
l'exposition aux rayons UV.
• Les modules doivent aussi résister aux efforts
mécaniques (transport, montage, efforts
éoliens) et aux averses de grêle.
• Enfin, ils doivent pouvoir se fixer facilement
sur une structure.
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97
Mise en série des
cellules = addition des
tensions à la sortie
Vmodule = n(Vd - I Rs)
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98
Exemple
•
•
•
•
•
•
36 cellules identiques placées en série
Irradiation 1kW/m2
Isc pour chaque cellule = 3.4 A, à 25 degrés C
I0 = 6*10-10A.
Rp = 6.6 Ohm
Rs = 0.005 Ohm
• Calculer, V, I, P, si la tension de la jonction est Vd = 0.5 Volts
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99
Solution
•
•
•
•
Vd= 0.5 , I0= 6 10-10A , Rp= 6.6 Ohm, Rs= 0.005 Ohm
I = Isc - I0 [(e38.9Vd -1)] – Vd/Rp
I = 3.4- 6 10-10A [(e38.9 0.5 -1)] – 0.5/6.6
I = 3.16 A
• Vmodule = n(Vd-I Rs)
• Vmodule = 36(0.5-3.06*0.005)=17.43 V
• La puissance délivrée à la charge = Vmodule I = 17.43*3.16 = 55 Watts
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100
Cascades (mise en série) des cellules
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101
Mise en parallèle des cellules
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102
Combinaison
série
parallèle
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103
Exemple de connexion des panneaux
avec une variation sur leurs caractéristiques
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104
Effet de l’ombrage sur les cellules
Des diodes en parallèles sont souvent ajouté pour atténuer l’effet
de l’ombrage sur les performances des cellules
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105
Effet de l’ombrage sur les cellules
La tension à la sortie Vout
Vout = Vn-1 – I (Rp+Rs)
Vn-1 = V(n-1)/n où V est la tension des n cellules en pleine radiation
Donc Vout = V(n-1)/n – I (Rp+Rs)
ΔV = V-Vout=V- V(n-1)/n +I (Rp+Rs) = V/n + I (Rp+Rs)
Comme RsI est très faible devant Rp, on peut écrire
ΔV= V/n + I Rp
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106
Exemple : effet de l’ombrage
Effet de l’ombrage sur la puissance fournie par les cellules.
La tension de 13 volts indique le niveau optimal de charge
d’une batterie de 12 volts
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107
Ajout d’une
diode de
protection
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108
Effet de l’ombrage sur les cellules
Impact de l’ombrage sur cinq modules délivrant 65 volts à une batterie
avec un module ayant 2 cellules à l’ombre, le courant de charge a perdu
2/3 de sa valeur sans la diode de bypass
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109
Effet de l’ombrage sur les cellules
Kamal Al-Haddad
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110
Diodes de blocage
pour éviter un courant inverse dû à l’ombrage ou bien au mauvais
fonctionnement des modules
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111
Spectre solaire
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112
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113
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114
Kamal Al-Haddad
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115
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116
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117
Kamal Al-Haddad
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118
EXEMPLES D’APPLICATIONS DE PANNEAUX PHOTOVOLTAIQUES
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119
Borne de stationnement
Kamal Al-Haddad
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Panneau
solaire
120
Bornes de stationnement : composition
des panneaux
Le panneau solaire est composé de 33 cellules (33*0.6)
connectées en série disposées sur trois colonnes
Courant (mA)
1000
800
600
400
200
0
0
5
10
15
20
Tension (V)
Puissance (mW)
15000
10000
5000
0
0
Kamal Al-Haddad
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5
10
Tension (V)
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
15
20
121
600
500
400
300
200
100
0
Puissance (mW)
-2
Ciel nuageux
3
8
Tension (V)
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
13
1000
800
600
400
200
0
0
0
5
10
Tension (V)
15
20
5
10
Tension (V)
15
20
Ciel semi-nuageux
Ciel nuageux
16000
Puissance (mW)
1200
18
Courant (mA)
Puissance (mW)
Mesure avec changement du niveau
d’ensoleillement
Soleil visible au travers des nuages
11000
Au Soleil
6000
1000
-4000
0
5
10
15
20
Ciel ensoleillé
Tension (V)
Kamal Al-Haddad
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122
Panneau solaire
Puissance (mW)
1000
800
600
400
200
0
0
5
10
15
Tension (V)
20
25
400
300
200
100
0
0
5
10
Tension (V)
15
20
Puissance (mW)
Puissance (mW)
500
4000
3000
2000
1000
0
0
Kamal Al-Haddad
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5
10 (V)
Tension
15
20
123
i= f(v)
350
300
Courant (mA)
250
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
Tension (V)
Sans neige
Kamal Al-Haddad
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Neige sur tout le panneau
Neige sur le bas du panneau
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124
i= f(v)
Problème
d’adaptation
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125
Circuits de base du convertisseur
DC/DC
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126
Interrupteur bloqué
Interrupteur passant
vL
vL
D
D
L
L
Interrupteur
Vi
vL= V=
L
i
α Ts
∫ di
L
0
=
α Ts
∫
0
C
R
diL
dt
C
R
V0
diL
vL = (Vi − V0 ) = L
dt
Vi
V
dt → I L (α Ts ) − I L (0)= i (α Ts − 0 )
L
L
Vi
∆iLon =
α Ts
L
Interrupteur
Vi
V0
Ts
∫
di=
L
αT
=
−∆iLoff
Vi α Ts (Vi − V0 )(1 − α ) Ts
∆iLon −=
∆iLoff
+
= 0
L
L
Vi − V0
Vi − V0
→
(
)
−
(
=
)
(TS − α T
α
dt
I
T
I
T
L
s
L
s
∫αT L
L
Ts
Vi − V0
TS (1 − α )
L
1
V0 =
Vi
1−α
127
CONVERTISSEUR BUCK-BOOST
Un convertisseur Buck-Boost est une alimentation à découpage qui convertit une tension
continue en une autre tension continue de plus faible ou plus grande valeur mais de
polarité inverse.
Interrupteur
D
V
i0
iL
i
L
C
R
v0
Fonctionnement du convertisseur Buck-Boost :
•Dans l'état passant, l'interrupteur est fermé, conduisant ainsi à une augmentation de
l'énergie stockée dans l'inductance.
•Dans l'état bloqué, l'interrupteur est ouvert. L'inductance est reliée à la charge ainsi qu'à la
capacité. Il en résulte un transfert de l'énergie accumulée dans l'inductance vers la capacité
et la charge.
128
Interrupteur passant V0 < 0
Interrupteur bloqué V0 <0
Interrupteur
Interrupteur
D
L
Vi
vL
D
C
R
V0
Vi
L
α Ts
∫ di = ∫
L
0
0
∆iLon
Ts
Vi
V
dt → I L (α Ts ) − I L (0)= i (α Ts − 0)
L
L
Vi
=
α Ts
L
Vi α Ts V0 (1 − α ) Ts
∆iLon −=
∆iLoff
+
= 0
L
L
R
V0
diL
vL L= V0
=
dt
diL
vL= V=
L
i
dt
α Ts
C
vL
∫
αT
diL =
Ts
V0
V0
α
dt
I
T
I
T
→
(
)
−
(
)
=
(Ts − α Ts )
L
s
L
s
∫αT L
L
V0
V
−∆iLoff =
− 0 Ts (1 − α )
(Ts − α Ts ) → ∆iLoff =
L
L
V0 = −
α
1− α
Vi
129
CONVERTISSEUR SEPIC
Le convertisseur DC/DC SEPIC dérive du nom (single ended primary inductor converter) est
une alimentation à découpage convertissant une tension continue en une autre tension
continue, de valeur différente. Il présente de nombreux attraits : il peut fonctionner comme
élévateur ou abaisseur de tension; il contient peu de composants. Ce montage est
généralement utilisé pour la charge des batteries.
Ce montage a été mis au point par Slobodan Ćuk à la fin des années 1970.
À la différence du convertisseur Ćuk qui est alimenté par une source de courant et qui
alimente une source de courant, le convertisseur SEPIC est alimenté par une source de
tension.
Il est aussi envisageable de remplacer les deux inductances L1 et L2 par deux inductances
couplées sur le même circuit magnétique.
130
Interrupteur passant
Interrupteur bloqué
vL1 = vi − vc − v0
diL1
dt
diL 2
vc v=
L
=
L2
2
dt
=
vi v=
L1
L1
T
1
1
VL1 (moyen)=
v
dt
=
L1
T ∫0
T
T
vL 2 = −v0
αT
T
1
v
dt
+
∫0 L1 T α∫T vL1dt= α Vi + (1 − α )(Vi − VC − V0 )= 0
1
1
VL 2 (moyen=
)
v
dt
=
L2
T ∫0
T
αT
T
1
v
dt
+
∫0 L 2 T α∫ vL 2 dt= α VC − (1 − α )V=0 0
En égalisant les 2 expressions de vc, nous obtenons
V0 =
=
VC
VC =
Vi
− V0
1−α
1− α
α
V0
α
Vi
1−α
131
Circuit de base convertisseur Boost
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132
Convertisseur CC-CA
pour injecter l’énergie dans le réseau électrique
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Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
133
Point de fonctionnement
Kamal Al-Haddad
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134
Point de fonctionnement
Maximum
Power
Considérons une charge de type résistif : V=R I ou I = V(1/R)
P0 = V0 I0
Rm = Vm/Im ceci donne le point de puissance max MPP
Ceci correspond au courant nominal et à la tension nominale
VR, IR sont donnés 1 kW/m2, 25 degrés, AM=1.5
Kamal Al-Haddad
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135
Variation du point de fonctionnement
en fonction de la charge alimentée
R1
R2
R3
Kamal Al-Haddad
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136
Variations des conditions d’ensoleillement
Kamal Al-Haddad
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137
Exemple de connexion directe groupe Panneau-Moteur
Kamal Al-Haddad
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138
Caractéristiques I - V d’un moteur CC
Au démarrage, la FCEM=0, le courant augmente très rapidement, Quand le couple
moteur devient supérieur au couple de friction+couple de charge, le moteur tourne,
w augmente, FCEM augmente et le courant décroit rapidement.
Kamal Al-Haddad
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139
Couplage d’un moteur à des panneaux
directement: points de fonctionnement
• Impossible
de
fonctionner
au MPPT
• Le moteur
ne démarre
pas avant
d’avoir
400W/m2 de
radiation
• Aussitôt
démarré, le
moteur a
besoin de
seulement
200 W/m2
pour
continuer à
tourner
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140
Cas d’une batterie réelle
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141
Fonctionnement autonome off grid
• V = VB + Ri I, où VB est la tension d’une batterie
idéale durant la charge
• V = VB - Ri I, durant la décharge
• Pour une batterie acide plomb de 12 volts, VB
peut varier entre 11.7 et 12.7 volts, à 30
degrés.
• La résistance interne est aussi fonction de la
température de la batterie
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142
Exemple d’une batterie
• Une batterie de 12 volts a une tension à vide =
11.7V, et une résistance interne Ri = 0.03 Ω
Quelle est la tension à la sortie des modules
s’ils délivrent 6 A dans la batterie? (=11.88 V)
• Si la batterie délivre un courant de 20A et sa
tension en circuit ouvert est 12.7 V, quelle
sera la tension d’opération des panneaux?
(=12.1 V)
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143
Fonctionnement avec MPPT
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144
Fonctionnement à MPPT
• Une augmentation du rendement peut être obtenue en fonctionnant au
point MPPT
• Fonctionnement au coude quelque soit l’heure de la journée
• Un convertisseur type BOOST ou bien Buck-BOOST est capable de
faire ce travail,
• d’extraire la puissance maximale disponible (MPPT = Maximum Power
Point Tracking) du panneau photovoltaïque.
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145
Fonctionnement optimal avec MPPT
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146
RÉGULATEUR MPPT (perturbe et observe)
Ipv
MPP
P’3
∆P > 0
P’1
P2
P1
∆P < 0
∆P > 0
∆P < 0
P’2
P3
Vpv
Perturber and Observer
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148
Perturbation et Observation (Algorithme)
149
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150
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151
P&O étendu
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152
Soleil
PV Solaire alimentant une charge avec MPPT
intégré
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153
POURQUOI UN RÉGULATEUR ?
Le panneau solaire est une source de courant continu qui dépend de
l’ensoleillement : la puissance fournie dépend du point de fonctionnement
Il ne peut également fournir, dans les meilleures conditions, toute la
puissance électrique voulue sans l’utilisation d’un régulateur de charge.
Le panneau solaire n’est généralement pas connecté aux charges
directement.
La batterie est indispensable…mais présente des conditions de
fonctionnement qui peuvent ne pas matcher les caractéristiques du
panneau
Le régulateur de charge est un « système automatique » dont la
fonction principale est d’assurer le contrôle de l’état de charge de la
batterie : pas de surcharge ni décharge trop profonde. Il doit aussi
s’assurer d’extraire le maximum de puissance disponible sur le panneau
solaire
RÉGULATEUR DE CHARGE SOLAIRE
Régulateur : exemple régulateur de tension, de courant, de vitesse…
Pourquoi un régulateur dans la chaîne ?
Point de fonctionnement
possible
(1 charge à la fois)
I
Il suffit d’y mettre le nombre de
panneaux solaires convenables
np *Icc
1/R
Ruban de LED
Mcc ou batterie
U
E
ns *U0
PV Solaire alimentant une charge résistive
variable sans régulateur
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156
I=f(V) pour différentes radiations et impact sur les trois
différents types de charge
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157
Énergie journalière collecter avec 3 différentes charges
158
Exemple des modules industriels
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159
Système autonome/relié
au réseau électrique
Kamal Al-Haddad
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160
PRODUCTION SUR SITE ISOLÉ
Panneaux
solaires
Onduleur
Régulateur
Récepteur alimenté
en courant alternatif
Boost
Batteries
Récepteur alimenté
en courant continu
PRODUCTION SUR SITE NON ISOLÉ
Définition
Site non isolé : endroit pouvant être raccordé au réseau
Objectif
Destiner à couvrir tout ou partie des besoins de consommation
Exemple
Alimentation d’une habitation
domestique en énergie
PRODUCTION SUR SITE NON ISOLÉ
RESEAU : Production et consommation
indépendante
Panneaux
solaires
( Injection de la totalité de la
production )
Onduleur
Compteur
producteur
Régulateur
Boost
Récepteur alimenté
en courant alternatif
Compteur
consommateu
r
Réseau
électrique
PRODUCTION SUR SITE NON ISOLE
RESEAU : Production et consommation non indépendante
( Injection des excédents de la production)
Panneaux
solaires
Réseau
électrique
Onduleur
Régulateur
Boost
Récepteur alimenté
en courant alternatif
Compteur
consommateur
Compteur
producteur
Schéma de base d’un élévateur
ELE-355_ K AL 16/11/2014
165
Principe de fonctionnement
• 0 < t < rT : S fermé
• L'inductance emmagasine de l’énergie (E = ½ L I2) provenant
de la source.
• La diode D dite diode de blocage empêche le condensateur de
sortie Co de se décharger dans S,
• donc la source d'entrée charge l'inductance L et uniquement
le condensateur de sortie Co alimente la résistance de charge.
ELE-355_ K AL 16/11/2014
166
iL
+
Vs
ic
+
vc
-
vL -
+
Co
-
−Vs + v L =
0
Vs = L
=
iL
Ri ch
Vs
t + I min
L
R
À la fin de cette séquence :t = tf = rT, le courant
dans l’inductance atteint sa valeur maximale
i L max :
Vs
i L=
(tf )
i=
t f + I min
L max
L
∆I=
L
I L max − I L min=
ELE-355_ K AL 16/11/2014
R
vch
-
− vc + vch =
0
di L
dt
Vs rT
L
ich
+
(19)
1
−
C
t
∫i
c
dt =
0
−∞
di ch i C
di
ic
− = 0, ch − =
0
dt
C
dt
RC
i ch = − i C
di ch i ch
+
=
0
dt RC
τ
=
i ch K e − t /=
, à t T,
=
I min
Séquences
de
fonctionne
ment
et
mise
en
équation
VC min
R
167
Observation
• Noter bien que la tension inverse aux bornes
de D est Vch
• le courant dans l'interrupteur est égal à celui
de l'inductance.
• Le condensateur Co se décharge
exponentiellement dans la résistance de
charge Rch
ELE-355_ K AL 16/11/2014
168
Séquence No.2
− Vs
+ v L + v ch =0 ⇒ Vs =v L + v ch
V=
s
i2
=
ELE-355_ K AL 16/11/2014
di 2
+ v ch
L
dt
Vs − v ch
L
ou Vs − v ch=
(t
di 2
L
dt
tf )
− tf ) =
+ iL ( t

ILmax
169
Observations
• Tension directe de l'interrupteur est : VS = vch
• La source Vs et l'inductance L chargée sont en
série. Elles transfèrent de l'énergie à la charge.
• La tension à la sortie sera plus importante car
une partie de l'énergie emmagasinée dans
l'inductance L sera transférée et emmagasinée
dans le condensateur de sortie.
• Le condensateur récupère les charges perdues
durant la première séquence.
• La tension vch est donc au minimum égale à Vs
(interrupteur ouvert en permanence).
ELE-355_ K AL 16/11/2014
170
Observations
• Le courant dans l’inductance varie entre une
valeur ILmin et une valeur ILmax.
• Le taux d’ondulation ΔI= ILmax -ILmin est fonction
du rapport cyclique et de la fréquence de
commutation de l’interrupteur.
• Ces variations sont approximées par des
droites pour faciliter le calcul.
ELE-355_ K AL 16/11/2014
171
La forme d onde du courant dans l inductance L
lorsque la conduction est continue est présentée
ainsi
ELE-355_ K AL 16/11/2014
172
Calcul de ILmax et ILmin
∆ IL
I L max= I L +
2
∆ IL
I L min= I L −
2
ELE-355_ K AL 16/11/2014
173
Conduction
discontinue
ELE-355_ K AL 16/11/2014
174
Conduction
continue
ELE-355_ K AL 16/11/2014
175
Fonction de transfert en mode de
conduction continu
• Sur une période T, la tension moyenne aux
bornes de l'inductance est nulle car en régime
permanent iL(T) = iL(0) = Imin.
vL =
1
T
T
T
T
di L
1
1
L
=
=
=
v
dt
L
dt
Ldi
i L ( T ) − i L ( 0 ) = 0
L
∫0 L
∫
∫
T 0 dt
T0
T
On peut calculer la fonction de transfert à partir de l’expression de
la tension moyenne aux bornes de l'inductance :
pour : 0 < t < rT
→ vL = Vs
pour : rT < t < T
→ vL = Vs - Vch
ELE-355_ K AL 16/11/2014
176
Tension moyenne aux bornes de
l’inductance
T
rT
1
1
1
VL =
v L dt =
0=
Vs dt +
∫
∫
T 0
T0
T
Vs rT + (1 − r ) T
Vs T − Vch
(1 − r )
T
∫ (V − V
s
ch
)dt
rT
( Vs − Vch )
=
0
T =
0
Vch
1
=
Vs
1− r
ELE-355_ K AL 16/11/2014
177
ELE-355_ K AL 16/11/2014
Vch= f(Vs, r)
178
Remarques
1. Cette fonction de transfert n’est valable que
dans l'hypothèse de la conduction continue.
2. Pour un rapport cyclique de 0.5 la tension à
la sortie est deux fois plus grande que la
tension à l’entrée
ELE-355_ K AL 16/11/2014
179
Calcul des courants moyens ID et IS
iL1 et iL2 sont les courants circulant dans l’inductance
durant les séquences 1 et 2.
IL
1 T
=
i L dt
∫
0
T
1

T
∫
rT
0
i L1
1
dt +
T
I max − I min
=
i L1
I min +
t
rT
I max − I min )
(
i L2 =
I max −
(1 − r ) T
∫
T
rT
i
L2

dt 

( t − rT )
I max + I min
I Lmoy =
2
Vs
=
I max
rT + I min
L
ELE-355_ K AL 16/11/2014
180
Courant IS dans l’interrupteur S
∆I L=
rT
IS
I max − I min =
1
1
=
i L1dt
∫
T 0
T
IS
ELE-355_ K AL 16/11/2014
Vs
rT
L
I max − I min

∫0  Imin + rT
rT
I max + I min
=
r
2

t dt

r IL
181
Courant moyen dans la diode D
ID
T
T

1
1
=∫ i L2 dt =∫  I max −
T rT
T rT 
I max + I min
ID =
2
I D= (1 − r)I L
ELE-355_ K AL 16/11/2014
( Imax − Imin ) t − rT dt
(
) 
(1 − r ) T

(1 − r )
= (1 − r ) I L
182
Courant moyen dans la charge
• En utilisant le principe de la conservation de
l'énergie
Pentrée = Psortie ⇒ Vch Ich = Vs I L
Ich = ID
ELE-355_ K AL 16/11/2014
183
Remarque
• En conduction discontinue
Vch
1
=
T
Vs
1 − r
tβ
ELE-355_ K AL 16/11/2014
184
Exemple
• Soit le circuit hacheur élévateur fonctionnant
à 50 kHz avec un rapport cyclique de 50%. Les
paramètres du circuit son : Vs=200 volts, L=400
μH, Rch=160Ω et C0=1000 μF.
• Dimensionner les semi-conducteurs après
avoir dessiné à l’échelle les formes d’ondes
de :iD, vD, vS, iS et vL.
ELE-355_ K AL 16/11/2014
185
HACHEUR ABAISSEUR-ÉLÉVATEUR
• Cette topologie combine les caractéristiques
d’un élévateur et d’un abaisseur de tension.
• Elle permet aussi d’inverser la tension aux
bornes de la charge.
• Son schéma de principe est dérivé des
hacheurs abaisseur et élévateur
ELE-355_ K AL 16/11/2014
186
Schéma de principe du hacheur
abaisseur-élévateur
ELE-355_ K AL 16/11/2014
187
Fonction de transfert
rVs − (1 − r ) Vch =
0
Vch
r
=
Vs
1− r
r
vch/Vs
0
0
ELE-355_ K AL 16/11/2014
0.25
0.33
0.5
1
0.75
3
0.9
9
188
Courbe de Vch = f(r, Vs)
0 ≤ Vch ≤ ∞
Pour un rapport cyclique de 50% les deux tension Vs et Vch sont égales
ELE-355_ K AL 16/11/2014
189
Courant moyen dans l'inductance
I max + I min
IL =
2
ELE-355_ K AL 16/11/2014
190
Courant moyen dans l'interrupteur S
I max + I min
r
=
2
IS
rI L
IS = rI L
ELE-355_ K AL 16/11/2014
191
Courant moyen dans la diode D
ID
=
I D=
ELE-355_ K AL 16/11/2014
I max + I min
(1 − r )
2
(1 − r ) IL
192
Courant moyen dans la charge
• En appliquant le principe de la conservation
de l’énergie on obtient
Vs IS = v ch Ich
Ich
Vs
=
IS
Vch
Ich=
ELE-355_ K AL 16/11/2014
Vch
r
=
Vs
1− r
(1 − r ) IL
193
CRITÈRES DE CHOIX D’UNE INSTALLATION SOLAIRE :
1. ÉCONOMIQUE : coût et amortissement de l’installation
par la vente de l’électricité
2. PRODUCTION DE L’ÉNERGIE :
* Ressource solaire du lieu géographique ( latitude,
orientation, les données météorologiques )
* orientation des panneaux et inclinaison par rapport à l’horizontale
*ombre sur les panneaux ( au cours de la journée, de l’année)
* rendement de l’ensemble ( panneaux, onduleur, pertes dans les câbles )
3. ESTHÉTIQUE : intégration dans l’environnement avec
impact visuel harmonieux
4. ÉCOLOGIQUE : réduction de l’effet de serre
5. PÉDAGOGIQUE : promotion des installations solaires
6. SÉCURISATION : suivant le type d’installation solaire
* installation avec stockage de l’énergie
* installation avec injection dans le réseau
Connexion sur le réseau
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
196
Schéma électrique d’un système photovoltaïque
relié au réseau électrique
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
197
Autre type de connexion
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
198
Puissance fournie et ou consommée durant la
journée
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
199
Système hybride autonome de génération de
l’énergie
200
Schéma de connexion standard
Utilisation
d’un
transformateu
r
Compensation des harmoniques
Fondamentale avec 3 eme en phase
Harmoniques
Fondamentale avec harmonique en
opposition de phase
Représentation d’une alimentation isolée
Connexion au réseau
Condensateur a l’ insertion
Résistance à l’insertion
Les fautes possibles
Schéma de connexion
Onduleurs connectés au réseau
• Les onduleurs solaires qui sont connectés
directement au réseau électrique
généralement n’ont pas un système de
stockage d'énergie .
• Ces onduleurs solaires exigent également des
fonctionnalités liées au réseau de surveillance
, évaluations , et de sécurité qui sont des
caractéristiques essentielles lorsqu'ils sont
utilisés pour la vente d'électricité au utilités.
Onduleurs isolés
• Ces onduleurs solaires fonctionnent indépendamment
du réseau électrique donc autonomes
• Il fonctionnent avec un système de stockage de
l’énergie ( ce à dire , batteries , générateur diesel , etc. )
• Ils ne nécessitent pas une surveillance étendue , mais
une certaine surveillance locale est favorisée pour des
raisons de sécurité .
• Un tel système est normalement installé lorsque le
réseau de distribution
– n’est pas facilement accessible ,
– surtout pendant une panne de courant ,
– ou bien ne peut être installé de manière rentable que
dans les régions éloignées
Caractéristiques de onduleur solaire ( grid-Tied )
• doivent inclure des fonctions de contrôle et de surveillance
• doivent avoir un système de suivi du point de puissance maximale (
MPPT )
• Contrôle des paramètres suivants est nécessaire
–
–
–
–
–
–
le contrôle de la tension ,
Le contrôle du courant,
Le facteur de puissance,
la fréquence ,
les harmoniques ,
et la synchronisation avec le réseau électrique .
• L’anti- îlotage (systèmes reliés au réseau ) est nécessaire
• Le suivi des défauts à la terre est indispensable .
• Boîtiers devraient être adaptés à un environnement donné , comme
décrit dans les codes IEEE et selon les autres normes NEMA IP
• Ports de communication pour isoler et d'éviter les événements
d’îlotage doivent être fournis , ceci permet d’éviter d‘e mettre des
vies en danger
Onduleurs solaires Surveillance de la puissance
• Le Suivi d'onduleurs solaires devraient remplir
les conditions suivantes:
• 1. Les bons citoyens de réseaux électriques
devraient préserver l'énergie lorsqu'il n’ont
pas besoin de l’utiliser.
• 2. La surveillance doit se conformer aux
normes de services publics d'électricité (
efficacité et pertes) .
Onduleurs solaires Surveillance de la puissance
• 3. Normes suivi sont généralement UL1741 ou CEC , mais ils
peuvent être déterminés par le service public local .
• 4. La puissance de sortie doit être propre , sans distorsion ,
et en phase ou synchronisé avec le réseau électrique.
– Il devrait être une onde sinusoïdale pure .
• 5. La plupart des onduleurs solaires ont un système de
surveillance qui détecte la forme d'onde de réseau
électrique (tension, courant , facteur de puissance ,
fréquence) et fournissent une sortie en conséquence
– Des précautions doivent être prises pour maintenir la nature de
sinusoïde , et la qualité de l'alimentation doit être maintenue .
• 6. les onduleurs reliés au réseau modernes ont
typiquement un facteur de puissance unitaire fixe , ce qui
signifie la tension et le courant de sortie sont parfaitement
alignés, et son angle de phase est à moins de 1 degré de la
tension d'alimentation du réseau .
Exemple sur les onduleurs pour connexion sur le réseau
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
220
Système de distribution type
P
Onduleur de faible
puissance
Exemple de Micro onduleurs
Micro inverters 100W
Onduleur de
grande
Puissance
triphasé
Convertisseurs alimentant un réseau ou une charge
Exemple de connexion des Panneaux
Multistring par
phase dans un
système triphasé
Une
autre
varia
nte
de
phas
e
multi
string
Les configurations
possibles
3.1 Les onduleurs monophasés
3.1.1 Les montages à deux interrupteurs
Le montage de base d'un onduleur est l'onduleur en demi-pont et son principe
consiste à imposer une tension positive et négative aux bornes de la charge. Pour
cela, il faut utiliser deux hacheurs tête-bêche.
Vs/2
+
+
Vs/2
C1 +
K1
vch
Charge
-
Montage de base
-
+
-
ich
K2
Vs
Vs/2
ich
C2 +
-
-
vch
T1
D1
T2
D2
+
charge
Vs/2
Montage à point milieu capacitif
Les condensateurs permettent d’obtenir le point milieu (diviseur de tension)
Si leur capacité est suffisante, on obtient deux tensions sensiblement constante et
égale à Vs/2
22
9
Description
Le montage est composé :
• à l’entrée d’une source de tension Vs à point milieu, réversible en courant
• à la sortie d’une charge alternative de type courant (R, RL, RLE, RLC)
• deux interrupteurs unidirectionnels, T1 et T2, à deux segments commandés à
l’ouverture et à la fermeture dont les temps de commutation sont négligeables.
• de deux diodes de roue libre supposées parfaites
• de deux condensateurs de filtrage.
23
0
Principe de fonctionnement
Puisque la somme des tensions aux bornes des condensateurs est égale à
Vs et que cette tension est supposée constante:
• le courant de charge (ou décharge) de C1 est égale au courant de
décharge (ou de charge ) de C2 Kirchhoff’s law
• le courant dans la charge est le double du courant dans l’un des
condensateurs
23
1
Cas 1: alimentation d’une charge purement résistive
• La source de tension ne doit pas être court-circuitée
• Pour 0 < t < T/2 (α=0.5) T1 est fermé et T2 est ouvert
• Pour T/2 < t < T T2 est fermé et T1 est ouvert
C1
+
-
+
-
Vs
T1
ich
C2
+
-
C1
Vs/2
-
vch
D1
+
-
+
charge
Vs/2
T2
D2
0 < t < T/2
Vch=vc1=Vs/2
VT1=0, vD1=0 , VT2=-VD2 = Vs
iT1= ich= Vs/(2Rch), iD1=iT2=iD2=0
+
-
Vs
Vs/2
ich
C2
+
-
-
vch
T1
D1
T2
D2
+
charge
Vs/2
T/2 < t < T
Vch= vc2 = - Vs/2
VT2= 0, vD2= 0 , VT1= -VD1 = Vs
iT2=-ich=-Vs/(2Rch), iD1=iT1=iD2=0
23
2
Vch , ich
Vs/2
Vs/2Rch
T/2
T
t
-Vs/2
T1
iT1
T2
Tracer les formes
d’ondes iT1, iT2, et is
(courant de source)
iT2
t
t
t
23
3
Exemple 3.1
Pour l’onduleur précédant, déterminer:
a) l’expression de la valeur efficace de tension de sortie vch
b) les coefficients de Fourier de la tension de la charge
c) l’expression instantanée de la tension de sortie en fonction des coefficients
de Fourier
d) la valeur efficace du fondamental de la tension de sortie (V1)
e) le taux de distorsion harmonique total de la tension de sortie
f) les coefficients de Fourier du courant dans la charge
g) le développement en série de Fourier de la puissance instantanée pch
h) la puissance active de fournie par source si Vs= 48 V et Rch=2.4 Ω
23
4
Solution
a) Expression de la valeur efficace de la tension de sortie vch
VchE =
1 T 2
v ch ( t )dt =
∫
0
T
T
Vs
Vs 2 T2
2 2 Vs 2
dt
)
dt
(
)
(
=
=
2
2 T ∫0
T ∫0 2
b) Coefficients de la série de Fourier de tension de sortie vch
a n = 0 car le signal v ch est un signal impair (symétrique par rapport à l' origine)
2π
4 2 Vs
2π
2 T
b n = ∫ v ch ( t ) sin( nt )dt = ∫ ( ) sin( nt )dt
T
T 0 2
T
T 0
T
T
2
2π 
4 T Vs 
( ) − cos( nt )
=
T 0
T 2πn 2 
Vs
= [1 − cos(nπ)]
πn
0

b n =  2Vs
 nπ
si n est pair
si n est impair
23
5
c) vch en fonction des coefficients de Fourier
2πn
2πn
en général : v ch (t) = a o + ∑ a n cos(
t ) + bn sin (
t)
T
T
n =1
∞
1
2πn
pour ce cas : v ch (t) =
t)
sin (
∑
π n =1,3,5,7 ,.. n
T
2Vs
∞
2Vs 
2π
1
6π
1
10π
1
14π

t
t
sin
(
t
)
sin
(
t
)
...
v ch (t) =
sin
(
)
sin
(
)
+
+
+
+


π 
T
3
T
5
T
7
T

d) Valeur efficace du fondamental de la tension de sortie
Fondamental
2Vs

Amplitude
V
b
=
=
1M
1

π


Valeur efficace V = b1 = 2Vs
1E

π
2
23
6
e) Le taux de distorsion harmonique total de la tension de sortie
THD =
2
VchE
− V12E
V1E
(
=
2Vs 2
Vs 2
) −(
)
2
π
2Vs
π
=
2π 1 2
− 2 = 48.43%
2
4 π
f) Coefficients de la série de Fourier du courant dans la charge ich
a ni = 0 car le signal v ch est un signal impair (symétrique par rapport à l' origine)
T
2 T
2π
4 2 Vs
2π
b ni = ∫ i ch ( t ) sin( nt )dt = ∫ (
) sin( nt )dt
0
0
T
T
T
2R ch
T
T
2
Vs 
4 T
2π 
=
( ) − cos( nt )
T 2πnR ch 2 
T 0
Vs
[1 − cos(nπ)]
=
πnR ch
0

b ni =  2Vs
 nπR
ch

si n est pair
si n est impair
23
7
∞
en général : i ch (t) = a oi + ∑ a ni cos(nωt ) + b ni sin (nωt )
n =1
2Vs
pour ce cas : i ch (t) =
πR ch
2Vs
i ch (t) =
πR ch
2π
= 2πf
avec ω =
T
∞
1
sin (nωt )
∑
n =1, 3, 5, 7 ,.. n
1
1
1


ω
+
ω
+
ω
+
ω
+
sin
(
t
)
sin
(3
t
)
sin
(5
t
)
sin
(7
t
)
...


3
5
7


g) développement en série de puissance instantanée consommée par la charge
pch(t)
Vs2
4R ch
π
2π
3π
ωt
Vs2
p ch ( t ) = a o =
= la valeur moyenne et a n = b n = 0 pour n = 1,2,3, , , ∞
4R ch
23
8
Cas d’un pont complet Schéma du convertisseur
T1
T3
D1 v
K1
ik1
vch
ik3
-
+
ich
Vs
charge
ik2
ik4
T4
Kamal Al-Haddad
ENR-810
D3 v
K3
D4
vK4
T2
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
D2 vK2
239
Formes d’ondes pour une charge inductive (R, L), on a
Commande
1
3
1
2
4
2
v ch
Vs
T/2
T
t
-Vs
ich
T/2+t1
T/2
t1
T
T3
T1
Conduction
D1
t
+
+
T2
T4
D3
+
+
D2
D4
24
0
Les divers intervalles qu’il est possible de distinguer sont déterminés par la
commande et le sens du courant ich dans la charge.
• À t=0, le courant ich est négatif; T1 et T2 bien que commandés à la fermeture, ne
peuvent pas conduire (interrupteurs unidirectionnels), le courant ich retourne à la
source par l’intermédiaire des diodes D1 et D2 qui restent passantes tant que ich est
négatif.
• À l'instant t=t1,, ich s’annule, donc les diodes D1 et D2 se bloquent
• pour t1<t<T/2, ich est positif, T1 et T2 sont fermés et conduisent.
• À t=T/2, T1 et T2 sont ouverts mais le courant ich ne s ’annule pas : il reste positif;
T3 et T4 bien que commandés à la fermeture, ne peuvent pas conduire (interrupteurs
unidirectionnels), le courant ich retourne à la source par l’intermédiaire des diodes D3
et D4 qui restent passantes tant que ich est positif.
• À l'instant t=T/2+t1,, ich s’annule, donc les diodes D3 et D4 se bloquent
• entre les instants T/2+t1 et T, le courant ich est négatif, T3 et T4 conduisent.
24
1
Exemple :
L’onduleur ci-après alimente une charge purement inductive de valeur L. On désigne
par -I la valeur du courant dans la charge ich à t=0.
On vous demande de:
a) Déterminer l’expression de ich(t) pour 0 < t < T/2 et pour T/2 < t < T
b) Déterminer l’expression de i en fonction de Vs et T
c) Tracer les formes d’ondes des courants:
- ich(t),
- iT1
- et is(t)
24
2
La configuration de l’onduleur est la suivante
T1
D1
T3
vK1
ik1
vch
Vs
vK3
ik3
-
+
ich
D3
charge
ik2
ik4
T4
D4
vK4
T2
D2
vK2
24
3
a) En régime établi, on a une condition de périodicité car le système
possède un fonctionnement périodique
 Vs
L t −I
 ch
ich (t ) = 
T
 Vs
−
(t
)+I
 L
2
 ch
T
pour 0 ≤ t ≤
2
pour
(I. > 0)
T
≤ t ≤T
2
b) Évaluation de I
à t =T, i ch (T) =−I
⇒
⇒
Vs
T
−
(T - ) + I =−I
Lch
2
Vs
I=
T
4Lch
Pour Vs=220 V, Lch=32.5 mH et T=1/600 s
I
220
=
2.82A
−3
4 × 32.5 ×10 × 600
24
6
Exemple
Vs
vch
t
− Vs
is
ich
I
ich, is
t
-I
vT1
T
0.5T
T1 , T2
Commande
Conduction
D1 , D2
T1 , T2
t
T3 , T4
D3 , D4
C) Formes d’ondes
T3 , T4
24
7
Solution
a) Expression de la valeur efficace de la tension de sortie vch
VchE =
T
1 T 2
v ch ( t )dt =
∫
0
T
T
2 2
2 2
2
(Vs ) dt = Vs
dt = Vs
∫
∫
0
0
T
T
b) Coefficients de la série de Fourier de tension de sortie vch
a n = 0 car le signal v ch est un signal impair (symétrique par rapport à l' origine)
2 T
2π
4
2π
b n = ∫ v ch ( t ) sin( nt )dt = ∫ 2 Vs sin( nt )dt
T
T 0
T 0
T
T
T
2
4 T
2π 

Vs − cos( nt )
T 2πn 
T
0
2Vs
[1 − cos(nπ)]
=
πn
=
0

b n =  4Vs
 nπ
si n est pair
si n est impair
24
8
c) vch en fonction des coefficients de Fourier
2πn
2πn
t ) + b n sin (
t)
en général : v ch (t) = a o + ∑ a n cos(
T
T
n =1
∞
4Vs
sin (nωt )
pour ce cas : v ch (t) = ∑
n =1, 3, 5, 7 ,.. πn
∞
4Vs
v ch (t) =
π
1
1
1


sin (ωt ) + sin (3ωt ) + sin (5ωt ) + sin (7ωt ) + ...
7
5
3


Valeur efficace du fondamental de la tension de sortie
Fondamental
4Vs

Amplitude
l
V
b
=
=
1M
1

π


Valeur efficace V = b1 = 2 2Vs
1E

π
2
24
9
Le taux de distorsion harmonique total de la tension de sortie
THD =
2
chE
V
−V
V1E
2
1E
=
2 2Vs 2
)
π
2 2Vs
π
Vs2 − (
=
π
2 2
1−
8
= 48.43%
2
π
25
0
Intégration des sources distribuées schéma de base
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
251
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
252
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
253
Énergie éolienne: schéma de conversion type
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
254
Évolution de la puissance de la turbine et de
l’électronique de puissance
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
255
Étages de conversions
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
256
Pile à hydrogène
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
257
Diagramme de charge
Kamal Al-Haddad
ENR-810
Chaire de recherche du Canada CRC-CÉÉÉP
258
Compe
nsatio
n
shunte
Kamal Al-Haddad
ENR-810
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259
Compensa
tion série
Kamal Al-Haddad
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260
Classification des convertisseurs d’énergie
Kamal Al-Haddad
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261
Kamal Al-Haddad
ENR-810
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262
Les technologies de stockage de l’énergie
Kamal Al-Haddad
ENR-810
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263
Classification de éléments de stockage de l’énergie
Kamal Al-Haddad
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264
Caractéristiques des systèmes de stockage d’énergie
EDLC : electro chemical double layer capacitor, CAES compressed air, FESS fly wheel energy storage, SMESS super conductive energy storage system
TESSThermo electric energy storage
Emadi Trans
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265
Fin !
Kamal Al-Haddad
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266