Énergie solaire photovoltaïque
Semaine 4 : Interfaces des modules photovoltaïques
Guidance

La connexion "directe" examinée à la page précédente ne permet pas de faire fonctionner les modules à leur tension optimale.

En outre, lorsque les caractéristiques d'un module sont dégradée (cellule ombrée, éclairement faible), il se peut même que le module ne fournisse plus aucune énergie alors qu'il pourrait encore le faire à une tension plus faible.

Nous allons donc nous intéresser aux modes de connexion qui permettent d'adapter la tension de fonctionnement des modules aux circonstances.

Adaptation par modification des connexions électriques des modules

Dans le cas d'une installation comportant un grand nombre de modules, et pour autant que la tension d'utilisation soit très supérieure à la tension d'un module, il est possible de regrouper ceux-ci de plusieurs façons par mise en série et en parallèle (le nombre de modules doit pour cela comporter un grand nombre de diviseurs).

En principe, on pourrait modifier ces connexions de façon automatique en cours de fonctionnement de façon à garder en permanence un régime de fonctionnement proche de l'optimum.

Les modifications se faisant par relais, ce dispositif n'occasionnerait lui-même que peu de pertes.

Généralités sur les convertisseurs électroniques

Une méthode d'adaptation des tensions plus souple que les précédentes consiste à faire suivre le champ photovoltaïque d'un convertisseur DC/DC ou DC/AC.

Le convertisseur DC/DC , étant plus simple, convient mieux pour une modularisation, ce qui permet de tenir compte de différences d’éclairement entre panneaux, d’une différence entre les caractéristiques des panneaux (qui s’accentue avec le vieillissement de ceux-ci).

A noter que, à puissance et taille comparable, un convertisseur DC/DC a moins de pertes qu'un convertisseur DC/AC.

L’électronique de puissance permet de réaliser des convertisseurs à faibles pertes ( transformateurs à courant continu) en utilisant des semi-conducteurs en bloqué-saturé. Le " rapport de transformation " est facilement réglable en jouant sur le rapport cyclique.

Les circuits à résonance permettent de réduire les pertes de commutation des semi-conducteurs, mais offrent moins de possibilités de réglage. Nous n’examinerons que quelques circuits à découpage (plus simples).

Pour obtenir un rendement élevé, les convertisseurs électroniques de puissance utilisent des éléments de commande (transistors...) en tout ou rien, c'est-à-dire comme des interrupteurs (mais à des fréquences beaucoup plus élevées que ce qu'un interrupteur mécanique pourrait supporter) qui se comportent soit comme des circuits ouverts, soit comme des courts-circuits. Nous représenteront ces éléments de commande comme des interrupteurs dans les schémas pour ne pas préjuger de leur nature (tubes, transistors bipolaires ou mos, IGBT...). Soit T la période du cycle interne de fonctionnement (habituellement beaucoup plus courte que les temps caractéristiques de variation des grandeurs à l'entrée et à la sortie du convertisseur). L'interrupteur est fermé (courant nul) pendant une partie aT de la période T . Il est ouvert (courant nul) pendant le reste (1-a)T de la période. Le nombre a, compris entre 0 et 1, porte le nom de rapport cyclique.

Comme, à chaque instant, le courant est nul ou la tension est nulle, la puissance dissipée dans l'interrupteur, qui est le produit de la tension par le courant, est en permanence nulle. En pratique, la tension n'est pas tout à fait nulle pendant le temps de conduction, et la commutation d'un état à l'autre n'est pas instantanée, de sorte que l'on a malgré tout une perte d'énergie dans les interrupteurs.

L'utilisation de convertisseurs DC-DC est toute indiquée si la plus grosse partie de l’énergie fournie par les cellules va vers une charge DC (accumulateur).

Les convertisseurs DC/DC se comportent extérieurement comme des transformateurs à courant continu, en ce sens que les tensions et courants d'entrée et de sortie sont reliés (approximativement) par les équations

(S04-2)

et

(S04-3)

où k est le rapport de transformation, habituellement réglable.

L'utilisation des équations (S04-2)(S04-3) suppose que l'on néglige les pertes de puissance

puisque l'on peut en déduire la conservation de la puissance

(S04-4) u₁ i₁ = u₂ i₂

On remarquera que, lorsque le convertisseur abaisse le niveau de tension, il augmente le niveau de courant.
Inversement, s'il élève le niveau de tension, il diminue le niveau de courant.

Convertisseurs sans isolation galvanique

Le convertisseur survolteur-dévolteur (buck-boost), dont le schéma de principe est donné à la figure ci-dessous, présente un rapport de transformation k (défini par les formules 6.1 et 6.2) qui dépend du rapport cyclique a par l'expression

(S04-5)

Ce rapport cyclique peut donc aller de 0 à l’infini, de sorte que la tension d'entrée peut aussi bien être plus grande que plus petite que la tension de sortie. Le rendement optimum du convertisseur n'est cependant obtenu que pour un rapport proche de 1. On doit donc associer les modules en série – parallèle de façon à fonctionner souvent à un rapport proche de 1 (ou choisir la tension de la charge pour arriver à ce résultat).

Le convertisseur buck-boost nécessite un filtrage énergique aussi bien à l'entrée qu'à la sortie pour lisser les courants d'entrée et de sortie et éviter les EMC.

Le convertisseur dévolteur (buck), dont le schéma de principe est donné à la figure ci-dessous, permet d’effectuer la conversion avec moins de pertes (transmission directe de l’énergie des panneaux pendant une partie du cycle).

Le rapport de transformation est donné par la formule

(S04-6)

de sorte que la tension d'entrée est toujours plus grande que la tension de sortie. Le rendement optimum est atteint au voisinage de k = 1. On est donc amené à accepter le non-fonctionnement du système à faible éclairement pour obtenir un bon rendement à fort éclairement !

Le buck nécessite un filtrage énergique à l'entrée pour éviter les EMC. Le filtrage de sortie peut par contre être plus sommaire puisque la plus grande partie de ce filtrage est déjà assuré par l'inductance de stockage elle-même.

Le convertisseur survolteur (boost), dont le schéma de principe est donné à la figure ci-dessous, permet lui aussi d’effectuer la conversion avec moins de pertes que le buck-boost (transmission directe de l’énergie des panneaux pendant une partie du cycle).

Le rapport de transformation est cette fois déterminé par la formule

(S04-7) k = 1 - a

de sorte que la tension d'entrée est toujours inférieure à la tension d’entrée. Il faut donc choisir une tension de batterie supérieure à la tension la plus élevée que les panneaux peuvent atteindre (en fonctionnement à puissance optimum). Comme le rendement est à nouveau le meilleur au voisinage de la limite, on évitera de prendre une tension de batterie beaucoup plus élevée que nécessaire.

Pour atteindre cet objectif, le recours à des modules "autorégulants" peut être utile, contrairement à ce que l'appellation de ces modules pourrait laisser croire, du fait que la tension de ces modules est plus faible que la tension des modules courants.

Le lecteur aura remarqué que le boost est le dual du buck. En particulier, il nécessite un filtrage énergique à la sortie, mais le filtrage à l'entrée est assuré essentiellement par l'inductance de stockage.

Les trois circuits du paragraphe précédent existent sous une forme qui assure l’isolation galvanique. Ceci permet de résoudre des problèmes de sécurité ou de différences de potentiel entre différentes parties d'une installation.

Ces convertisseurs comportent un transformateur d’isolation, ce qui augmente les pertes du convertisseur.

Par contre, on peut choisir le rapport des spires de ce transformateur de façon à faire correspondre la zone de fonctionnement optimum du convertisseur au rapport de tension que l’on souhaite. Il n’est donc plus nécessaire de modifier la connexion des cellules (série – parallèle) pour se rapprocher du fonctionnement optimum.

Il reste que le buck-boost est d’utilisation plus souple, mais de rendement moins bon, que le buck ou le boost, et que le buck ne permet pas le fonctionnement à faible niveau de rayonnement.

Dernière mise à jour le 11-02-2004