Énergie solaire photovoltaïque
Semaine 4 : Interfaces des modules photovoltaïques
Guidance

L'installation photovoltaïque la plus simple que l'on puisse concevoir se compose d'un champ photovoltaïque formé d'un ou plusieurs modules connectés en série ou en parallèle, et d'une charge qui utilise directement l'énergie produite (figure ci-dessous).

Fig. S04-1 : installation photovoltaïque rudimentaire

Une telle installation ne fournit un effet utile que pendant les périodes ensoleillées. Elle ne convient donc que pour de rares applications. On la rencontre notamment dans des applications de pompage, car il est possible de remplir un réservoir d'eau pendant les périodes ensoleillées et de l'utiliser en dehors de ces périodes. La capacité de ce réservoir peut être relativement faible si l'on tient compte de ce la demande d'eau est surtout importante pendant les périodes ensoleillées : les variations de demande et d'offre d'eau sont donc relativement bien corrélées.

L'installation de la figure 1 a le mérite de la simplicité, mais elle ne conduit pas à une utilisation optimum du champ photovoltaïque ni du système de pompage. Un effet, le niveau de tension et de courant qui s'établit spontanément sur la liaison électrique n'est pas forcément celui qui convient le mieux aux deux éléments. On doit veiller lors de la conception de l'installation à choisir des éléments tels qu'une adaptation "raisonnable" se réalise spontanément dans toutes les conditions d'utilisation (niveau d'ensoleillement, température ambiante, niveau de l'eau à pomper, vitesse du vent...). Compte tenu du nombre de paramètres en jeu, l'adaptation obtenue n'est jamais parfaite, et la solution n'est pas transposable d'une région à l'autre ni même d'une situation à l'autre.

On est donc amené à disposer entre les deux éléments un circuit d'interface, en général un convertisseur électronique de puissance. Les pertes d'énergie occasionnées par ce circuit sont compensées par une meilleure extraction d'énergie des panneaux (ce qui ne signifie pas que l'opération est toujours rentable économiquement, car ce convertisseur a aussi un coût). Compte tenu des fluctuations permanentes des conditions de fonctionnement, il faut aussi prévoir un système de commande automatique de ce convertisseur, ainsi que divers capteurs (courant, hauteur d'eau...) fournissant à ce convertisseur les informations dont il a besoin.

Le cas d'une installation ne comportant qu'un générateur et une charge est cependant une exception.

D'une part, pour assurer le fonctionnement pendant les périodes non ensoleillées, il faut disposer d'autres sources d'énergie : batteries, réseau électrique public, autres générateurs comme les éoliennes ou les groupes Diesel.

Le réseau peut aussi comporter plusieurs consommateur. Les batteries pendant leur période de recharge, le réseau vers lequel on renvoie l'excès d'énergie produite (toute l'énergie dans le cas d'une centrale solaire), un réseau électrique local à courant alternatif, un réseau électrique local à courant continu...

Si l'on voulait offrir en toute circonstance à l'énergie le chemin le plus court, il faudrait interconnecter (via une interface appropriée) chaque élément capable de fourni de l'énergie (panneau photovoltaïque, éolienne, groupe Diesel, batterie, réseau de distribution) à chaque élément pouvant servir de récepteur (réseau local, batterie, réseau de distribution) (voir figure ci-dessous).

Figure S04-2 - Connexions offrant un chemin court à tout échange d'énergie (irréaliste)

Cette idée est cependant irréaliste car elle conduirait à un nombre élevé de convertisseurs (voir figure ci-dessous), ce qui serait non seulement coûteux mais encore difficile à gérer.

En pratique, les différents éléments sont donc connectés à un réseau local via une interface qui lui est propre. Ce réseau local peut être à courant DC ou AC.

On arrive donc à un schéma du type représenté à la figure ci-dessous.

Figure S04-3

La tension du réseau local est approximativement constante. De petites variations sont cependant souvent acceptées. Ainsi, si le réseau local est à courant DC et que des batteries y sont connectées, sa tension sera souvent celle de batteries afin de simplifier l'interfaçage entre le réseau local et les batteries. De même, s'il y a une liaison vers le réseau public et que le réseau local est à courant alternatif, la tension de ce dernier sera normalement liée à celle du réseau public.

Comme le réseau local est à tension fixée, les différentes interfaces peuvent être conçues séparément, et sont plus faciles à gérer.

La figure ci-dessous représente la partie de l'installation qui doit tenir compte des modules photovoltaïques, ainsi que les éléments de réglage et les capteurs correspondants.

Figure S04-4

En principe, chaque fournisseur d'énergie et chaque récepteur peut être muni d'une interface permettant son fonctionnement optimal et son contrôle. Un système de commande central assure la gestion automatique de l'ensemble.

Tous les systèmes de commande reçoivent les informations nécessaires de capteurs, de tableaux de commande. Certaines informations sont également mises en mémoire (par exemple tarifs pour les échanges d'énergie avec le réseau public, en fonction du temps et éventuellement des circonstances).

A vrai dire, pour des raisons d'économie, la séparation des fonctions n'est pas toujours aussi poussée que sur cette figure. Par exemple, le contrôleur central peut aussi prendre en charge un certain nombre d'interfaces. Ce site sera cependant organisé en faisant référence au cas où toutes les fonctions sont séparées, quitte à signaler au passage les économies souvent réalisées.

Cette semaine, nous examinerons la partie propre au champ photovoltaïque. Les autres parties (interfaces avec les batteries, les utilisateurs ou le réseau public, système de commande central) seront le sujet d'autres semaines.

Dernière mise à jour le 08-02-2004