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ETAT DE L’ART SUR LE SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE
Dans le contexte global d’amélioration de rendement d’un système photovoltaïque, nous allons commencer cette thèse par l’état de l’art d’un système photovoltaïque, en décortiquant tous les éléments constitutifs du système, de la source à la charge. La compréhension des fondamentaux, nous permettra de comprendre les propriétés de conversion et aussi ses limites. En premier lieu, nous rappelons brièvement le principe de la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique reposant sur l’effet photoélectrique, c’est à dire sur la capacité des photons à créer des porteurs de charge (électrons et trous) dans un matériau. La technologie photovoltaïque la plus utilisée depuis la création des premières cellules correspond à la filière silicium de type cristallin qui représente actuellement 90 % de la production mondiale pour les applications terrestres. Ceci peut s’expliquer par le fait que l’industrie photovoltaïque profite régulièrement du développement de l’industrie des semiconducteurs qui est capable de fournir une matière première d’excellente qualité pour les panneaux solaires ainsi que des processus de fabrication totalement maitrisés.
La conversion photovoltaïque
Effet photoélectrique
Le rayonnement solaire est constitué de photons dont la longueur d’onde s’étend de l’ultraviolet (0.2 μm) à l’infrarouge lointain (2.5 μm). On utilise la notion AM (Air Mass) afin de caractériser le spectre solaire en termes d’énergie émise [1.1]. L’énergie totale transportée par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de l’ordre de 1350 W/m² (AM0) dans l’espace hors atmosphère terrestre . Lorsque le rayonnement solaire traverse l’atmosphère, il subit une atténuation et une modification de son spectre, à la suite de phénomènes d’absorption et de diffusion dans les gaz, l’eau et les poussières. Ainsi, la couche d’ozone absorbe une partie du spectre lumineux provenant du soleil, et en particulier une partie des ultraviolets dangereux pour la santé. Le rayonnement solaire direct reçu au niveau du sol (à 90° d’inclinaison) atteint 1000 W/m² du fait de l’absorption dans l’atmosphère (AM1). Cette valeur change en fonction de l’inclinaison des rayons lumineux par rapport au sol. Plus l’angle de pénétration θ est faible, plus l’épaisseur atmosphérique que les rayons auront à traverser sera grande, d’où une perte d’énergie conséquente. Par exemple, l’énergie directe transportée par le rayonnement solaire atteignant le sol avec un angle de 48° avoisine les 833 W/m² (AM1.5).
Pour connaître le rayonnement global reçu au sol, il faut ajouter à ce dernier le rayonnement diffus. Le rayonnement diffus concerne tout le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point d’observation n’est pas géométriquement rectiligne et qui est dispersé ou réfléchi par l’atmosphère ou bien le sol. En considérant ceci, on obtient une référence du spectre global notée AM1.5 avec une puissance de 1000 W/m² correspondant à nos latitudes .
La conversion photovoltaïque aujourd’hui largement utilisée peut être simplement définie comme la transformation de l’énergie des photons en énergie électrique grâce au processus d’absorption de la lumière par la matière. Lorsqu’un photon est absorbé par le matériau, il éjecte un électron d’un niveau d’énergie inférieur vers un niveau d’énergie plus élevé, créant ainsi une paire électron-trou, de même énergie électrique. Généralement, la paire électron-trou revient à l’équilibre en transformant son énergie électrique en énergie thermique. De même, toute l’énergie des photons n’arrivant pas à se transformer en électricité est absorbée par le matériau sous forme thermique. Le matériau constituant les capteurs PV a alors sa température interne qui augmente proportionnellement à l’énergie solaire reçue. Le taux de conversion photon-électron est faible car un certain nombre de conditions doivent être réuni pour que ce phénomène se produise. L’effet thermique est donc majoritaire sur la plupart des capteurs détériorant d’autant plus les performances de ces derniers [1.3].
Même si le phénomène électrique est secondaire devant le phénomène thermique, récupérer tout ou partie de l’énergie électrique est le premier objectif des capteurs photovoltaïques sous forme de cellules ou de générateurs. Cela est possible grâce par exemple à des cellules solaires réalisées en associant un matériau semiconducteur dopé N3 à un autre semiconducteur dopé P4 . L’énergie produite par l’absorption d’un photon dans un matériau se traduit du point de vue électrique par la création d’une paire électron-trou. Cette réaction entraîne une différence de répartition des charges créant ainsi une différence de potentiel électrique, c’est l’effet photovoltaïque. Le fait d’avoir associer deux types de matériaux pour créer une jonction permet de pouvoir récupérer les charges avant que ces dernières ne se soient recombinées dans le matériau qui redevient alors neutre. La présence de la jonction PN permet ainsi de maintenir une circulation de courant jusqu’à ses bornes. Le nombre de photons par unité de longueur d’onde est une donnée à connaître pour les applications photovoltaïques pour estimer l’énergie totale disponible.
La cellule photovoltaïque
La plupart des cellules photovoltaïques utilisent des semiconducteurs pour récolter les paires électron-trou créées par la collision des photons dans le matériau. Cependant, selon le matériau utilisé, le nombre de photons utiles (qui peuvent être absorbés) diffère. En effet, chaque matériau possède son propre gap énergétique (bande d’énergie interdite). Tout photon possédant une énergie inférieure à ce gap et arrivant à la surface du matériau n’aura pas assez d’énergie pour arracher un électron au matériau même s’il entre en collision avec un. Le courant produit par un capteur photovoltaïque est donc beaucoup plus faible que la quantité de photons arrivant sur le matériau car plusieurs conditions doivent être réunies pour que réellement l’énergie d’un photon se traduise en courant (compatibilité du matériau avec les longueurs d’ondes du spectre solaire, énergie des photons à leur arrivée sur le matériau, probabilité de rencontre d’un photon avec un électron, incidence du rayonnement, épaisseur du matériau,…). De plus, un autre compromis doit être fait par le concepteur de capteurs PV. Si le gap du matériau est grand, peu de photons auront assez d’énergie pour créer du courant mais aux bornes de la cellule, la tension en circuit ouvert sera grande et facilitera d’autant plus l’exploitation de l’énergie électrique. A l’inverse, un matériau avec un faible gap absorbe plus de photons mais présente une tension plus faible à ses bornes. Ce compromis a été quantifié par Shockley et Quessier [1.4]. Ainsi par exemple, avec un seul matériau, le rendement de conversion maximal théorique est de 31 % pour un gap énergétique d’environ 1.4 eV. Par comparaison le gap du silicium, qui est aujourd’hui le matériau le plus utilisé pour constituer des cellules dans les capteurs PV terrestres, n’est pas très loin de cet optimum avec 1.12 eV.
Ainsi, le maximum théorique pour une simple jonction Si est d’environ 29 %. La différence de potentiel présente aux bornes d’une jonction PN soumise à un éclairement est également mesurable entre les bornes de la cellule PV. Typiquement, la tension maximale d’une cellule (PN) est d’environ 0.5 à 0.8 V. Elle peut être directement mesurée à ses bornes sans charge (circuit ouvert). Cette tension est nommée tension de circuit ouvert (Voc). Lorsque les bornes d’une cellule sont court-circuitées, on peut mesurer le courant maximal produit par la cellule PV et on le nomme communément courant de court-circuit Isc (short circuit). Ces valeurs peuvent changer fortement en fonction du matériau utilisé, de la température et de l’ensoleillement.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART SUR LE SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE
I.1 Introduction
I.2 La conversion photovoltaïque
I.2.1 Effet photoélectrique
I.2.2 La cellule photovoltaïque
I.2.2.1 Rendement de conversion des cellules photovoltaïques
I.2.2.2 Modèle électrique d’une cellule photovoltaïque
I.2.2.3 Caractéristique courant-tension d’une cellule PV
I.2.2.4 Facteur de remplissage
I.2.2.5 Influence de la température et de l’éclairement
I.2.3 Les différentes technologies des cellules PV
I.2.3.1 Le silicium cristallin
I.2.3.2 Les cellules à couches minces
I.2.3.3 Les Cellules Multi-jonctions
I.2.3.4 Les cellules organiques
I.2.4 Le module photovoltaïque
I.2.4.1 Association en série de n- cellules élémentaires
I.2.4.2 Association en parallèle de n-cellules élémentaires
I.2.4.3 Conception du module photovoltaïque
I.2.4.4 Fonctionnement du module à puissance maximale
I.3 Les convertisseurs statiques
I.3.1. Connexion du panneau à la charge via un étage de conversion DC-DC
I.3.1.1. Le hacheur
I.3.1.2. La recherche du point de puissance maximale
I.3.2. Connexion du panneau à la charge via un étage de conversion DC-AC
a. Onduleur central
b. Micro onduleur
c. Onduleur de chaîne
d. Onduleur multichaîne
I.4 Rendement d’une chaîne de conversion photovoltaïque
I.4.1. Puissance maximale au niveau du modèle photovoltaïque
I.4.2. Qualité de la commande MPPT
I.4.3. Rendement du convertisseur de puissance
I.4.4. Rendement total de la chaîne de conversion
I.4.5. Etude globale des pertes pour un convertisseur statique
I.4.5.1 Pertes dans le MOSFET
I.4.5.2 Perte dans la diode 41
I.4.5.3 Pertes dans l’inductance
I.5 Système PV autonome à micro onduleur
I.5.1. Stockage d’énergie
I.5.1.1 Caractéristiques de la batterie
I.5.1.2 Stockage hybride
I.5.2. Le micro onduleur
I.5.3. Proposition de cette thèse
I.6 Conclusion
CHAPITRE II : ETAT DE L’ART DES TECHNIQUES D’OPTIMISATION AU NIVEAU DE LA CONVERSION DE L’ENERGIE SOLAIRE EXTRAITE DES MODULES PHOTOVOLTAIQUES
II.1 Introduction
II.2 Revues des différentes commandes MPPT
II.2.1. Première type de commande MPPT
II.2.2. Les commandes MPPT à algorithmes performants
II.2.2.1. Les commandes « Perturb and Observe » (P&O)
II.2.2.2. Les commandes « Hill Climbing »
II.2.2.3. Les commandes « Incrément de conductance » (IncCond.)
II.2.3. Les commandes MPPT basées sur des relations de proportionnalité
II.2.3.1. Mesure de Voc
II.2.3.2. Mesure de Isc
II.2.4. Les commandes MPPT basée sur le principe de la logique floue
II.2.5. Les commandes MPPT de réseaux de neurones artificiels
II.2.6. Apport du numérique dans les commandes MPPT à algorithmes performants
II.3 MPPT à commande extrêmale
II.3.1 Principe de la régulation extrêmale
II.3.2 Algorithme MPPT extrêmale
II.4 Evaluation d’une commande MPPT
II.4.1. Facilité d’implémentation
II.4.2. Réponse dynamique
II.4.3. Portabilité
II.4.4. Réponse fiable sur une large gamme de puissance
II.5 Modélisation d’une commande MPPT extrêmale contrôlé en mode glissant
II.5.1. Le contrôle par mode glissant
II.5.2. Approche asymptotique des caractéristiques I-V du module PV
II.5.3. Commande MPPT par mode glissant
II.5.3.1. Les conditions d’accessibilité à la surface de glissement
II.5.3.2. Contrôle équivalente
II.5.3.3. Trajectoire pour atteindre le MPPT
II.5.3.4. Influence des paramètres ∆,? , ???? ?? – Fréquence des oscillations
II.5.3.5. Amplitude de la fluctuation de puissance autour de ???
II.5.3.6. Comportement sous une variation d’ensoleillement
II.6 Simulation
II.6.1. Réponses du système à l’état d’équilibre
II.6.2. Réponses pour une variation d’irradiance
II.6.3. Réponses à un changement sur les caractéristiques du module PV
II.7 Conclusion
CHAPITRE 3 : MODELISATION DE LA CONVERSION DC-AC A DEUX NIVEAUX: CONVERTISSEUR INTEGRE AU NIVEAU DU MODULE PV
III.1 Introduction
III.1.1. Topologie du hacheur ou hacheur
III.1.2. Topologie du convertisseur DC-AC ou onduleur
III.1.3. Approche de modélisation
III.1.3.1 Notion sur la structure des systèmes des convertisseurs statiques
III.1.3.2 Hypothèses de modélisation
III.1.3.3 La cellule de commutation
III.1.3.4 Modélisation aux sens des valeurs moyennes
III.2 Modélisation du hacheur survolteur quadratique
III.2.1. Modélisation du comportement dynamique du convertisseur
III.2.1.1 Les différents modes de conduction du convertisseur
III.2.1.2 Modèle dynamique du convertisseur
III.2.1.3 Etude du convertisseur en régime permanent
III.2.2. Intégration de l’étage de contrôle en mode glissant
III.2.2.1 Contrôle en mode glissant
III.2.2.2 Analyse par contrôle équivalente
III.2.2.3 Le hacheur en mode de fonctionnement girateur de puissance
III.2.3. Rendement du convertisseur
III.2.3.1 Pertes en conduction
III.2.3.2 Pertes en commutation
III.2.4. Simulation du modèle
III.2.4.1 Réponse du convertisseur contrôlé en mode glissant avec une stabilisation indirecte par courant d’entrée
III.2.4.2 Réponse du convertisseur avec la régulation de tension à la sortie
III.3 Modélisation de l’onduleur à pont complet
III.3.1. Modèle dynamique de l’onduleur autonome à pont complet
III.3.1.1 Commande bipolaire
III.3.1.2 Commande unipolaire
III.3.1.3 Sinusoïde de référence
III.3.2. Intégration du contrôle de courant par mode glissant
III.3.2.1. Boucle de régulation du courant par mode glissant
III.3.2.2. Boucle de régulation de la tension
III.3.3. Rendement de l’onduleur à pont complet
III.3.3.1 Pertes en conduction
III.3.3.2 Pertes en commutation
III.3.4. Simulation du modèle
III.3.4.1 Réponse de l’onduleur pour une variation de ??
III.3.4.2 Réponse pour une variation de la puissance d’entrée
III.4 Conclusion
CHAPITRE IV : LE MICRO ONDULEUR AUTONOME MONOPHASE
CONCLUSION GENERALE
