Soutenance mémoire
La consommation mondiale d’électricité observée durant ces dernières décennies est fortement liée au développement de l’industrie, du transport et des moyens de communications. De nos jours, une grande partie de la production électrique est produite à partir de ressources non renouvelables comme le charbon, le gaz naturel, le pétrole et l’uranium. Leur vitesse de régénération est extrêmement lente à l’échelle humaine. Ce qui entrainera à plus ou moins courte échéance un risque non nul d’épuisement de ces ressources. D’autant plus que la demande ne cesse de croître et tant dès à présent à être supérieure à l’offre, se traduisant par exemple par une forte fluctuation du prix mondial du pétrole. D’autre part, ce type de consommation énergétique n’est pas neutre sur l’impact environnemental. Pour les hydrocarbures et le charbon par exemple, d’importantes émissions de gaz à effet de serre sont générées quotidiennement jouant un rôle prépondérant au niveau du dérèglement climatique et de l’augmentation de la pollution. Ce constat pousse à rechercher de plus en plus de solutions innovantes palliant le déficit énergétique et limitant l’impact négatif sur l’environnement. Ainsi, le développement des sources non-polluantes à base d’énergie renouvelable est de plus en plus sollicité à la fois par les producteurs d’énergie et les pouvoirs publics. Par opposition, une énergie dite renouvelable doit se régénérer naturellement et indéfiniment à l’échelle temporelle de notre civilisation. Seule l’énergie issue du soleil répond actuellement à ces critères à la fois d’abondance à la surface terrestre et de régénération infinie à notre échelle. Elle peut ainsi être utilisée directement sous forme thermique et depuis la découverte de l’effet photovoltaïque, convertie en énergie électrique. Cette dernière, bien qu’elle soit connue depuis de nombreuses années, comme source pouvant produire de l’énergie allant de quelques milliwatts au mégawatt, reste à un stade anecdotique et ne se développe pas encore dans de grandes proportions, notamment à cause du coût trop élevé des capteurs mis en œuvre. D’autre part, de nombreux problèmes techniques, tels que des pannes intempestives, ont pu être relevés sur les premiers systèmes électroniques liés notamment au transfert et à la conversion de cette énergie vers la charge, montrant ainsi le manque d’optimisation du traitement de cette énergie ayant des comportements aléatoires. Aujourd’hui, la plupart des systèmes de conversion de nature onduleur souffrent souvent de faibles rendements en site réel de production qui en fond encore des systèmes trop chers présentant en plus des déficiences importantes en termes de fiabilité. De plus, leurs durées de vie entre trois et cinq ans est loin d’être satisfaisantes pour répondre aux critères d’exigence de source de production d’énergie fiable et à grande échelle en comparaison avec la durée de vie des capteurs photovoltaïques commerciaux garantie pour une période supérieure à 25 ans.
Depuis très longtemps, l’homme a cherché à utiliser l’énergie émise par le soleil, étoile la plus proche de la terre. La plupart des utilisations sont directes comme en agriculture, à travers la photosynthèse ou dans diverses applications de séchage et chauffage, autant artisanale qu’industrielle. Cette énergie est disponible en abondance sur toute la surface terrestre et, malgré une atténuation importante lors de la traversée de l’atmosphère, une quantité encore importante arrive à la surface du sol. On peut ainsi compter sur 1000 W/m2 dans les zones tempérées et jusqu’à 1400 W/m2 lorsque l’atmosphère est faiblement polluée en poussière ou en eau. Le flux solaire reçu au niveau du sol terrestre dépend ainsi de plusieurs paramètres comme :
– l’orientation, la nature et l’inclinaison de la surface terrestre,
– la latitude du lieu de collecte, de son degré de pollution ainsi que de son altitude,
– la période de l’année,
– l’instant considéré dans la journée,
– la nature des couches nuageuses.
Les zones les plus favorables sont répertoriées sous forme d’atlas et mettent en évidence des « gisements solaires » à la surface de la terre.
La conversion de la lumière en électricité, appelée effet photovoltaïque, a été découverte par E. Becquerel en 1839. Cette conversion d’énergie peut s’effectuer par le biais d’un capteur constitué de matériaux sensibles à l’énergie contenue dans les photons. Ce capteur se présente à l’échelle élémentaire sous forme d’une cellule nommée cellule photovoltaïque (PV) dont le principe est rappelé au début de ce chapitre. La quantité d’énergie électrique ainsi générée peut varier en fonction du matériau utilisé, des paramètres géométriques du capteur et de sa capacité à collecter les électrons avant qu’ils ne se recombinent dans le matériau. L’association possible de plusieurs cellules PV en série/parallèle permet d’adapter théoriquement la production d’énergie photovoltaïque à la demande. Ces associations constituent un générateur photovoltaïque (GPV) avec des caractéristiques courant-tension I(V) spécifiques, non-linéaires et présentant des points de puissance maximale (PPM) dépendant du niveau d’éclairement, de la température de la cellule ainsi que du vieillissement de l’ensemble. Pour pouvoir « récolter » et utiliser cette énergie, la connexion à une charge est nécessaire. Il en résulte un point de fonctionnement correspondant au point d’intersection des caractéristiques électriques du GPV et de la charge. Selon les choix des charges envisagées, le régime de fonctionnement obtenu est optimisé ou non. Nous illustrons nos propos à travers des exemples simples de chaînes de conversion de GPV, des propriétés que l’on peut en attendre en fonction de l’éclairage, de la température et de l’influence des charges sur leur production de puissance. Nous rappelons alors les précautions élémentaires à prendre pour que l’ensemble fonctionne en produisant de l’énergie sans risquer de détériorer le générateur photovoltaïque.
Le générateur photovoltaïque
Principe d’une cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est un capteur constitué d’un matériau semi-conducteur absorbant l’énergie lumineuse et la transformant directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés d’absorption du rayonnement lumineux par des matériaux semi-conducteurs. Ainsi, le choix des matériaux utilisés pour concevoir des cellules PV se fait en fonction des propriétés physiques de certains de leurs électrons susceptibles d’être libérés de leurs atomes lorsqu’ils sont excités par des photons provenant du spectre solaire et possédant une certaine quantité d’énergie selon leurs longueurs d’onde. Une fois libérés, ces charges se déplacent dans le matériau formant globalement un courant électrique de nature continu (DC). La circulation de ce courant donne alors naissance à une force électromotrice (fem) aux bornes du semi-conducteur correspondant ainsi au phénomène physique appelé effet photovoltaïque.
Comparable à une diode utilisée classiquement en électronique, une cellule PV peut être réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopée P (dopée au bore) et l’autre dopée N (dopée au phosphore) [2-4]. Entre les deux zones se développent une jonction PN avec une barrière de potentiel. La zone N est couverte par une grille métallique qui sert de cathode (contact avant) et surtout de collecteurs d’électrons, tandis qu’une plaque métallique (contact arrière) recouvre l’autre face du cristal et joue le rôle d’anode. Lorsque les photons sont absorbés par le semi-conducteur, ils transmettent leur énergie aux électrons par collision. Si l’énergie transmise est supérieure à celle associée à la bande interdite (Eg) du semi-conducteur, des paires électrons-trous sont alors crées dans cette zone de déplétion par arrachement des électrons. Sous l’effet d’un champ électrique E r qui règne dans cette zone, ces porteurs libres sont drainés vers les contacts métalliques des régions P et N. Il en résulte alors un courant électrique dans la cellule PV et une différence de potentiel (de 0.6 à 0.8 Volt) supportée entre les électrodes métalliques de la cellule, communément nommée tension de circuit ouvert (VOC) fortement dépendante de la température. Le courant maximal PV se produit lorsque les bornes de la cellule sont court-circuitées. On parle alors de courant de court-circuit (ICC) dépendant fortement du niveau d’éclairement (E). La figure 2.2 illustre la caractéristique non linéaire I(V) d’une cellule PV à base de silicium pour un éclairement et une température donnée, avec la présence d’un point de puissance maximal (PPM) caractérisé par sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT). D’autres matériaux peuvent être utilisés pour réaliser les capteurs PV. Ces travaux n’étant pas l’objet de cette thèse, nous invitons le lecteur ayant besoin de plus de précisions dans ces domaines à consulter les documents suivants [5-7].
En résumé, technologiquement, un capteur PV est proche d’une diode PN de par sa constitution, les matériaux utilisés, et les phénomènes physiques identiques mis en œuvre. Le comportement d’une cellule PV peut donc se modéliser comme celui d’une mauvaise jonction PN autant en statique qu’en dynamique lorsque cette dernière n’est pas éclairée. Pour tenir compte du courant engendré par l’éclairement de la cellule et des différentes résistances modélisant les pertes dues à la connectique, trois termes sont ajoutés ICC, RS et RP.
Constitution d’un générateur photovoltaïque
La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur de très faible puissance vis-à-vis des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. Une cellule élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrés délivre, au maximum, quelques watts sous une tension inférieure au volt (tension de jonction PN). Pour produire plus de puissance, plusieurs cellules doivent être assemblées afin de créer un module ou un panneau photovoltaïque. La connexion en série des cellules permet d’augmenter facilement la tension de l’ensemble, tandis que la mise en parallèle permet d’accroître le courant. Le câblage série/parallèle est donc utilisé pour obtenir globalement un générateur PV aux caractéristiques souhaitées.
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Table des matières
1 INTRODUCTION GENERALE
2 GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE : PROBLEMATIQUE DE LA PRODUCTION DE PUISSANCE MAXIMALE
2.1 Introduction
2.2 Le générateur photovoltaïque
2.2.1 Principe d’une cellule photovoltaïque
2.2.2 Constitution d’un générateur photovoltaïque
2.2.3 Protections classiques d’un GPV
2.3 Connexion directe entre la source et la charge
2.4 Introduction d’un étage d’adaptation
2.5 Principe de la recherche du point de puissance maximal
2.5.1 Généralités
2.5.2 Synthèse des différentes MPPT rencontrées dans la littérature
2.6 Définitions des différents rendements d’une chaîne de conversion photovoltaïque
2.6.1 Critères d’évaluation d’un module photovoltaïque
2.6.2 Critères d’évaluation d’une commande MPPT
2.6.3 Critère d’évaluation d’un étage de conversion
2.6.4 Critère d’évaluation d’une chaîne de conversion photovoltaïque complète
2.7 Synthèse
3 COMMANDE MPPT NUMERIQUE
3.1 Introduction
3.2 Les commandes MPPT Numériques présentes dans la littérature
3.2.1 Apport du numérique sur les MPPT utilisant une variable d’incrémentation
3.2.2 Principe du mode de recherche de la commande MPPT du LAAS-CNRS
3.2.3 Commande MPPT Analogique du LAAS-CNRS
3.2.4 Commande MPPT Numérique du LAAS-CNRS
3.3 Relevés expérimentaux
3.3.1 Performances de la commande MPPT numérique
3.3.2 Comparaison entre deux MPVE Boost avec commande MPPT (analogique et numérique) et une connexion directe
3.3.3 Commande MPPT Numérique Adaptative du LAAS-CNRS
3.4 Synthèse
4 AMELIORATION DE L’ETAGE DE CONVERSION DE PUISSANCE
4.1 Introduction
4.2 Transfert d’énergie effectué par un convertisseur statique
4.2.1 Etude du comportement du η CONV
4.2.2 Mise en parallèle de convertisseurs
4.3 Etude du mode interleaving pour convertisseurs appliqués au PV
4.3.1 Fonctionnement de N convertisseurs en mode interleaving
4.3.2 Amélioration du rendement en mode interleaving
4.3.3 Application aux sources photovoltaïques
4.3.4 Etage d’adaptation en mode Interleaving du LAAS-CNRS
4.3.5 Validations
4.4 Etage d’adaptation réalisé à partir de N semigirateurs en parallèles
4.4.1 Rappels du principe du girateur de puissance
4.4.2 Rappels du concept de semigirateur de puissance
4.4.3 Exemple d’étage d’adaptation à base de deux semigirateurs connectés en parallèle
4.4.4 Validation des travaux
4.5 Synthèse
5 ETUDE COMPARATIVE DE DIFFERENTES CHAINES DE CONVERSION PV
5.1 Introduction
5.2 Etude comparative entre une chaîne de conversion classique et une chaîne de conversion munie d’un étage d’adaptation multi-cellules
5.2.1 Mesures comparatives
5.2.2 Synthèse des essais comparatifs de la section 5.2
5.3 Nouveaux développements de topologies PV au LAAS-CNRS
5.3.1 Synthèse des architectures de centrales photovoltaïques existantes
5.3.2 Architecture PV discrétisée du LAAS-CNRS
5.3.3 Synthèse des essais comparatifs de la section 5.3.2.1
5.4 Synthèse
6 CONCLUSION GENERALE
