Energie solaire photovoltaique : contexte et problematique

La production d’énergie est un défi de grande importance pour les années à venir. En effet, les besoins énergétiques des sociétés industrialisées ne cessent d’augmenter. Par ailleurs, les pays en voie de développement auront besoin de plus en plus d’énergie pour mener à bien leur développement. De nos jours, une grande partie de la production mondiale d’énergie est assurée à partir de sources fossiles. La consommation de ces sources donne lieu à des émissions de gaz à effet de serre et donc une augmentation de la pollution. Le danger supplémentaire est qu’une consommation excessive du stock de ressources naturelles réduit les réserves de ce type d’énergie de façon dangereuse pour les générations futures. En vertu du Protocole de Kyoto, l’Union Européenne s’est engagée à réduire ses émissions de gaz à effet de serre de 8% en dessous de leurs niveaux de 1990 sur la période 2008-2012 [1]. Les énergies renouvelables telles que l’énergie éolienne, l’énergie solaire, l’énergie hydroélectrique et la biomasse doivent jouer un rôle important pour atteindre cet objectif. Dans ce contexte, en septembre 2001, l’Union Européenne a adopté la Directive relative à la promotion de l’électricité produite à partir de sources d’énergie renouvelable sur le marché intérieur de l’électricité [2]. L’objectif de cette directive est la promotion et l’exploitation à l’avenir du potentiel des sources d’énergie renouvelable. Par énergie renouvelable, on entend des énergies issues du soleil, du vent, de la chaleur de la terre, de l’eau ou encore de la biomasse. A la différence des énergies fossiles, les énergies renouvelables sont des énergies à ressource illimitée. Les énergies renouvelables regroupent un certain nombre de filières technologiques selon la source d’énergie valorisée et l’énergie utile obtenue. La filière étudiée dans cette thèse est l’énergie solaire photovoltaïque. L’énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation directe d’une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d’énergie s’effectue par le biais d’une cellule dite photovoltaïque (PV) [3] basée sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à produire une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier en fonction du matériau utilisé pour la fabrication de la cellule. L’association de plusieurs cellules PV en série/parallèle donnent lieu à un générateur photovoltaïque (GPV) qui a une caractéristique courant-tension (I-V) non linéaire présentant un point de puissance maximale. La caractéristique I-V du GPV dépend du niveau d’éclairement et de la température de la cellule ainsi que du vieillissement de l’ensemble. De plus, son point de fonctionnement du GPV dépend directement de la charge qu’il alimente. Afin d’extraire en chaque instant le maximum de puissance disponible aux bornes du GPV, nous introduisons un étage d’adaptation entre le générateur et la charge pour coupler les deux éléments le plus parfaitement possible. Le problème du couplage parfait entre un générateur photovoltaïque et une charge de type continue n’est pas encore réellement résolu. Un des verrous technologiques qui existe dans ce type de couplage est le problème du transfert de la puissance maximale du générateur photovoltaïque (GPV) à la charge qui souffre souvent d’une mauvaise adaptation. Le point de fonctionnement qui en découle est alors parfois très éloigné du point de puissance maximale (PPM). La littérature propose une grande quantité de solutions sur l’algorithme de contrôle qui effectue une recherche de point de puissance maximale lorsque le GPV est couplé à une charge à travers un convertisseur statique. Dans cette thèse, l’ensemble constitué par un GPV, un étage d’adaptation et une charge DC est abordé dans sa globalité par une approche du point de vue architecture de conversion à haut rendement, grandes fiabilité et flexibilité. Ainsi, nous avons étudié le problème de l’extraction du maximum de puissance d’un générateur suivant deux concepts : le transformateur de puissance DC et le girateur de puissance, chacun doté d’une commande MPPT.

ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE : CONTEXTE ET PROBLEMATIQUE 

L’énergie solaire photovoltaïque (PV) provient de la conversion directe de l’énergie provenant de photons, comprise dans le rayonnement solaire, en énergie électrique, par le biais de capteurs fabriqués avec des matériaux sensibles aux longueurs d’ondes du visible (nommés cellules PV). L’association de plusieurs cellules PV en série/parallèle donne lieu à un générateur photovoltaïque (GPV) qui a une caractéristique statique courant-tension I(V) non linéaire et présentant un point de puissance maximale (PPM). Cette caractéristique dépend du niveau d’éclairement et de la température de la cellule ainsi que du vieillissement de l’ensemble. Le point de fonctionnement du GPV peut donc varier entre les points extrêmes correspondant au courant de court-circuit Icc et la tension en circuit ouvert Voc. La détermination du point de fonctionnement du GPV dépend directement de la charge à laquelle il est connecté. Il est plus ou moins éloigné du PPM, caractérisé par le courant et la tension optimaux notés (Iopt, Vopt).

Bien que depuis les premières installations PV, les prix des GPV aient diminué fortement, le prix du kWh reste encore élevé. Dans ce contexte, encore aujourd’hui, la plupart des installations PV sont destinées à des sites isolés où la possibilité de raccordement au réseau est difficile voir impossible. Une manière d’optimiser le prix du kWh est d’extraire le maximum de puissance Pmax disponible aux bornes du GPV. Pour cela, il est nécessaire d’introduire un étage d’adaptation entre le GPV et la charge DC pour imposer un point de fonctionnement du GPV le plus près possible du PPM. Dans un contexte de réduction de coût et de recherche d’optimisation de la connectique entre un panneau PV et une batterie, EDF a souhaité établir une collaboration avec le LAAS-CNRS afin de définir des produits innovants performants et à bas coût. Dans ce contexte, l’objectif de la recherche présentée dans ce document faisant l’objet de plusieurs contrats et notamment un contrat CIFRE est de concevoir et réaliser des modules photovoltaïques électroniques (MPVE) de faibles puissances constitués d’un GPV et d’une électronique de traitement de l’énergie associée. Ainsi, un Module PV Electronique est un ensemble constitué de cellules PV (module), d’un convertisseur statique de puissance (CS) et d’une loi de commande à puissance maximale (PMAX). L’objectif principal recherché par la réalisation de ce MPVE est l’abaissement des coûts d’installation et de production. Ce module élémentaire doit avoir les propriétés suivantes :
– Facilement Associable,
– Haut Rendement de conversion,
– Fonctionnement aux caractéristiques maximales (Fonctionnement à PMAX) quels que soient les comportements aléatoires de la source et de la charge,
– Fonctionnement en mode dégradé possible si la charge le nécessite,
– Haute Fiabilité (durée de vie électronique adaptée à celle des cellules)

Le générateur photovoltaïque 

Principe 

Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 V et 0.7 V en fonction du matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température de la cellule et du vieillissement de la cellule [3]. La figure 2.1 illustre une cellule PV typique où sa constitution est détaillée.

Une cellule PV est réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopée P (dopée au bore) et l’autre dopée N (dopée au phosphore) créant ainsi une jonction PN avec une barrière de potentiel. Lorsque les photons sont absorbés par le semi-conducteur, ils transmettent leur énergie aux atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons de ces atomes se libèrent et créent des électrons (charges N) et des trous (charges P). Ceci crée alors une différence de potentiel entre les deux couches. Cette différence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et négatives de la cellule. A travers une charge continue, on peut en plus récolter des porteurs. La tension maximale de la cellule est d’environ 0.6 V pour un courant nul. Cette tension est nommée tension de circuit ouvert (VOC). Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont court-circuitées, il est appelé courant de courtcircuit (ICC) et dépend fortement du niveau d’éclairement.

Constitution d’un générateur photovoltaïque (GPV) 

L’association de plusieurs cellules PV en série/parallèle donne lieu à un GPV. Si les cellules se connectent en série, les tensions de chaque cellule s’additionnent, augmentant la tension totale du générateur. D’une autre part, si les cellules se connectent en parallèle, c’est l’ampérage qui augmentera. La plupart des panneaux PV commerciaux sont constitués par des sous-réseaux de cellules connectés en série. Chacun de ces sous-réseaux est lui-même constitué d’un groupe de cellules PV connectés en série. Le nombre de cellules par sous-réseaux est le fruit d’un compromis économique entre protection et pertes d’une partie importante du GPV en cas de défaut partiel. Nous pouvons remarquer que comme pour une cellule, la caractéristique électrique I(V) d’un GPV est non linéaire et présente un point de puissance maximale (PPM). Ce point a également un courant et une tension associés appelés Iopt et Vopt respectivement. Le point de fonctionnement d’un GPV est fonction de l’impédance de la charge qu’il alimente. Cette charge pourrait être une charge résistive ou un bus de tension continue (par exemple, connecté sur une batterie). Dans le cas d’une batterie, c’est elle qui impose le point de fonctionnement du GPV lors d’une connexion directe.

Table des matières

1 INTRODUCTION GENERALE
2 ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE : CONTEXTE ET PROBLEMATIQUE
2.1 Introduction
2.2 Le générateur photovoltaïque
2.2.1 Principe
2.2.2 Constitution d’un générateur photovoltaïque (GPV)
2.2.3 Protections classiques d’un GPV
2.2.4 Développement d’un site expérimental
2.3 Connexion directe source-charge
2.4 Définition de l’étage d’adaptation entre une source et une charge
2.5 Principe de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
2.5.1 Classification des commandes MPPT
2.5.2 Commande MPPT extrémale du LAAS-CNRS
2.6 Définitions d’une chaîne de puissance et rendements associés
2.7 Synthèse
3 ETAGE D’ADAPTATION SELON LE CONCEPT DU TRANSFORMATEUR DC
3.1 Introduction
3.2 Principe du transformateur DC
3.3 Utilisation du Transformateur DC pour la conception d’un étage d’adaptation dédié à un GPV
3.3.1 Obtention du point de fonctionnement d’un GPV
3.3.2 Trajectoire du point de fonctionnement du GPV
3.3.3 Etage d’adaptation spécifique entre un GPV et une charge DC
3.4 Structures d’étages d’adaptation pour GPV sans isolement galvanique
3.4.1 Etage d’adaptation abaisseur
3.4.2 Etage d’adaptation survolteur
3.4.3 Etage d’adaptation abaisseur/survolteur (Cuk)
3.5 Structures avec isolement galvanique
3.6 Synthèse
4 ETAGE D’ADAPTATION SELON LE CONCEPT DE GIRATEUR DC DE PUISSANCE 
4.1 Introduction
4.2 Principe du girateur de puissance
4.3 Classification des girateurs de puissance
4.4 Etudes et Réalisation des girateurs de puissance
4.4.1 Girateurs de puissance de type G
4.4.2 Girateurs de puissance de type R
4.4.3 Concept de semigirateur de puissance
4.4.4 Synthèse des différents girateurs de puissance
4.5 Application du girateur DC à l’étage d’adaptation pour GPV
4.5.1 Principe d’un girateur de puissance avec fonction MPPT
4.6 Différentes structures de girateurs de puissance avec fonction MPPT
4.6.1 Etage d’adaptation de type G avec courant de sortie contrôlé basé sur le convertisseur BIF
4.6.2 Etage d’adaptation pour GPV de type G avec courant d’entré contrôlé basé sur un Cuk
4.6.3 Etage d’adaptation pour GPV fonctionnant en Girateur R basé sur le convertisseur BOF
4.6.4 Etage d’adaptation à base de Semigirateur réalisé avec un convertisseur boost avec fonction MPPT
4.7 Synthèse
5 CONCLUSION

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