Soutenance mémoire
Le pourvoiement de nos sociétés en énergie se pose de manière de plus en plus aiguë à mesure de l’augmentation des besoins des pays émergents cumulés à ceux de nos sociétés de plus en plus énergivores. Les Énergies Renouvelables (ENR) sont revenues au centre de toutes les attentions essentiellement grâce à leur caractère d’innocuité pour l’environnement, ce qui représente certainement une voie de sortie vis à vis de notre mode de consommation en énergies fossiles. Le Laboratoire des Matériaux Optiques Photonique et Systèmes (LMOPS) de l’Université de Metz propose un ensemble de thématiques dont l’étude des systèmes photovoltaïques fait partie. Le travail présenté dans cette thèse se décompose en plusieurs parties et s’articule autour des systèmes de production d’énergie solaire photovoltaïque. Il est donc important de re-situer la place qu’occupe l’énergie photovoltaïque et les problèmes qu’elle soulève encore, et qui ont conduit à proposer une nouvelle étude sur ce sujet, qui, par ailleurs, a déjà été minutieusement et laborieusement exploré. Notre laboratoire fort de ses avancées dans les domaines des matériaux et capteurs pour l’optique a décidé d’approfondir son savoir faire dans les systèmes, en lançant cette étude sur l’optimisation et la sûreté des systèmes photovoltaïques.
Les énergies renouvelables
En ces moments où l’énergie devient un enjeu majeur, tant du point de vue économique qu’écologique, il devient urgent de déployer tous nos efforts pour rendre les systèmes les plus vertueux possible. Il en va de l’équilibre global de notre écosystème. Au vu de l’augmentation constante des besoins énergétiques des pays en forte expansion, et de la consommation actuelle de l’énergie, les autorités internationales se sont mobilisées vers le déploiement des énergies renouvelables en vue de fournir une énergie fiable et rentable tant du point de vue économique que sociétal. A l’aide des analyses publiées par les différentes agences mondiale, européenne et nationale, il est possible de mettre en évidence les conséquences de l’utilisation des énergies fossiles sur l’évolution de la planète par l’intermédiaire des rejets de CO2 dans l’atmosphère. On présentera dans ce chapitre les chiffres clé pointant sur l’urgence de mobiliser tous nos efforts dans l’objectif d’augmenter la part des énergies renouvelables. Compte tenu du faible pourcentage qu’elles représentent, ces dernières offrent de grandes perspectives en termes de marges de progression. Les progrès dans l’électronique de puissance laissent entrevoir des voies de progrès dans le transport de l’énergie sous forme de courant continu à moindres pertes. Cette forme de transport peut être utilisée pour les petites installations photovoltaïques où l’énergie électrique doit être optimisée.
Quelques chiffres
Les différentes agences internationales fournissent depuis plusieurs années des informations qui sont à la fois très précises mais aussi fort préoccupantes. Elles montrent à l’évidence l’extrême urgence qu’il y a de se mobiliser à tous les niveaux de notre société pour que des solutions rapides et efficaces puissent être proposés à la communauté. L’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (ADEME) rapporte que les objectifs du projet de la loi d’orientation sur l’énergie propose de réduire de 2% par an d’ici 2015 et de 2,5% d’ici 2030 la consommation énergétique. Au plan national l’accent est mis sur une utilisation plus rationnelle de l’énergie dont la mission est confiée à l’ADEME.
Cette politique vient d’être vigoureusement relancée par les autorités publiques, notamment pour permettre à la France de réduire ses émissions de gaz à effet de serre afin de lutter contre le changement climatique. En effet les émissions de certains gaz polluants liés aux activités humaines ont accentué l’effet de serre. La restructuration du mix énergétique restant limitée et les techniques de séquestration du carbone n’étant pas supposées disponibles, les progrès par rapport au scénario de référence restent modestes : – 16 % en 2030. Les émissions sont en hausse de 31 % par rapport à 2010, et de 67 % par rapport aux émissions de 1990. On voit que dans la perspective la plus optimiste, s’infléchit et entame une diminution autour de l’année 2030. Hors, dès à présent, les effets des gaz à effet de serre sont parfaitement mesurables et on note déjà d’importantes conséquences sur le climat et divers écosystèmes. Au niveau international, les incitations de la communauté européenne visent à un approvisionnement en énergie sûr et durable. Les objectifs globaux sont d’élaborer une politique et des échéances précises permettant une économie moins énergivore et émettrice de carbone. Le passage d’une économie basée sur les sources d’énergie fossiles vers une économie basée sur des sources d’énergie renouvelables apparaît aujourd’hui comme nécessaire voire inévitable. Les coûts deviennent concurrentiels grâce au facteur d’échelle qu’ils représentent. En décembre 2008 les dirigeants européens ont décidé d’adopter un ensemble de réformes visant à faire de l’Europe un exemple international en ce qui concerne les énergies renouvelables et les technologies sobres en carbone. Il s’agit d’un projet de réduction de 20% des émissions de gaz à effet de serre à l’horizon 2020 par rapport aux niveaux de 1990 [Syr08].
Perspectives des énergies renouvelables
Selon la définition, les Énergies Renouvelables (ENR) correspondent aux énergies exploitées par l’Homme, de telle sorte que les réserves ne s’épuisent pas, et que leur vitesse de formation soit plus grande que la vitesse d’utilisation. Parmi les plus classiques, on peut lister :
– l’énergie solaire,
– l’énergie photovoltaïque,
– l’énergie éolienne,
– l’énergie hydraulique,
– la biomasse,
– la géothermie.
Les ENR au plan mondial
Selon les prévisions des diverses agences internationales, la composition de la demande mondiale d’énergie évoluera vraisemblablement elle aussi, la part des pays de l’Organisation de Coopération et de Développement Économiques (OCDE) diminuant en faveur des pays en développement. La Chine et l’Inde devraient à elles seules représenter plus de 20% de la demande d’énergie mondiale en 2020, contre seulement 13% en 1997. Les principaux facteurs de cette évolution sont la croissance économique et le développement industriel rapides. Dans certains pays en développement, la croissance démographique et l’urbanisation verront le remplacement de combustibles traditionnels (le bois de chauffage, bouse séchée, etc. . .), par des combustibles modernes.
Cette évolution a un impact sur le système énergétique mondial et au final, l’environnement : les émissions de CO2 dans les régions en développement et leur dépendance à l’égard des importations de pétrole augmentent. L’accroissement de la demande se traduira par la nécessité d’investir des capitaux importants pour développer la production d’électricité dans ces pays . L’OCDE propose donc une politique de développement durable basée sur :
1. la sécurité énergétique,
2. la compétitivité économique,
3. la contrainte environnementale (changement climatique).
Cela repose principalement sur :
– la maîtrise de la demande énergétique,
– la diversification des sources de production et d’approvisionnement techniques,
– le développement de la recherche dans le secteur de l’énergie,
– la pérennisation d’infrastructures de transport et de stockage de l’énergie adaptées aux besoins de la consommation.
Ces axes stratégiques se déploient dans deux directions principales :
1. favoriser les économies d’énergies, notamment dans les secteurs relevant des usages quotidiens (logements, bureaux, commerces, transports) où la consommation est importante,
2. promouvoir les énergies renouvelables (biomasse, énergie solaire, éolien, géothermie, hydraulique, pompes à chaleur.) .
L’ International Energy Agency (IEA) publie tous les ans un rapport dans lequel les travaux et avancées au niveau international dans l’aspect des énergies renouvelables sont consignés [Age10]. Cette agence, fondée en 1974 a publié son dernier rapport en septembre 2010. Au total 26 pays membres y participent ainsi que la Commission Européenne. Pour ce qui concerne l’aspect plus spécifique du photovoltaïque, les travaux ont débuté plus tardivement, en 1993 sous le nom de «IEA PVPS». Différents sommets ont été organisés de par le monde afin de confronter et harmoniser les objectifs au niveau planétaire. Dans l’ordre chronologique on citera :
– La Conférence de Stockholm en 1972 traitant surtout de la pollution,
– Le Sommet de la Terre qui s’est tenu à Nairobi (Kenya) du 10 au 18 mai 1982 n’est pas considéré comme un sommet suite au désintérêt du président des États-Unis,
– Rio de Janeiro en 1992. Ce sommet a permis la mise en œuvre d’un programme ambitieux, tel que le Protocole de Kyoto (1997),
– Johannesburg 2002, ce sommet a été également nommé Sommet Mondial sur le Développement Durable (SMDD).
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Table des matières
Introduction
1 Les énergies renouvelables
1.1 Introduction
1.2 Quelques chiffres
1.3 Perspectives des énergies renouvelables
Les ENR au plan mondial
1.3.1 Niveau européen
1.3.2 Niveau national (France)
1.4 L’énergie photovoltaïque
1.5 La filière silicium
1.5.1 Silicium monocristallin
1.5.2 Silicium polycristallin
1.5.3 Silicium amorphe et cellules organiques
Absorption des photons et création des paires électrons-trous
1.6 Cellules en couches minces à base de CuInSe2
1.7 Les cellules de l’avenir
1.8 Conclusion
2 Étude des cellules et des panneaux
2.1 Introduction
2.2 Caractéristique directe idéale d’une cellule à l’obscurité
2.3 Caractéristique directe d’une cellule sous éclairement variable
2.4 Comportement réel en mode direct
2.5 Comportement en mode inverse
2.6 Problématique liée aux défauts
2.6.1 Problématique de la mise en série des cellules
2.6.2 Défaut sur une cellule de chaîne
2.7 Les systèmes anti-ombrage
2.7.1 Systèmes à micro-onduleurs
2.7.2 Systèmes à optimiseurs
2.7.3 Systèmes à élévateurs de tension
Intérêt des systèmes parallèles à élévateurs de tension
2.7.4 Conclusion
3 Les convertisseurs DC/DC
3.1 Introduction
3.2 Cahier des charges
3.2.1 Caractéristiques électriques
3.2.2 Caractéristiques d’environnement
3.3 La pompe à diodes ou élévateur de Greinacher
3.4 Le montage SEPIC
3.4.1 SEPIC à bobinages non couplés
3.4.2 SEPIC à bobinages couplés
3.5 Le montage Ćuk
3.6 Élévateur type PUSH-PULL
3.7 Le montage BOOST inverseur
3.8 Le montage BOOST ou Step-Up
3.8.1 Introduction
3.8.2 Principe de fonctionnement du Boost
3.9 Différentes pertes dans le système Boost
3.9.1 Analyse des pertes dans le bobinage
Pertes par effet Joule dans le bobinage
Pertes magnétiques dans le bobinage
3.9.2 Pertes dans la diode de récupération
Tension de blocage inverse
Chute de tension directe
Commutation au blocage
Pertes de puissance en conduction
Pertes de puissance au blocage
3.10 Analyse des pertes dans le transistor MOSFET
3.10.1 Analyse de pertes liées à la commande du MOSFET
3.10.2 Analyse des pertes liées à la commutation
3.10.3 Analyse des pertes par conduction
3.10.4 Evaluation de la relation Rdson-Vdsmax
Description de la problématique (suivant modèle linéaire)
Intégration de la résistance des connexions
3.10.5 Évaluation de la relation Rdson −V par familles de transistors
Analyse et constatation générale
Proposition d’un modèle non-linéaire
3.10.6 Conclusion partielle
3.10.7 Fonctionnement du MOSFET dans un Boost aux fortes tensions
3.11 Conclusion
4 Le convertisseur Boost à couplage magnétique (MCB)
4.1 Introduction
4.2 Principe de fonctionnement
4.3 Principe du MCB
4.3.1 Description succincte du fonctionnement
4.3.2 Conclusion du montage élévateur du type «Allumage»
4.3.3 Transposition du montage «Allumage» au Boost à couplage magnétique
4.3.4 Analyse du fonctionnement du Boost à couplage magnétique
Fermeture du transistor en mode passant (Rdson = 0)
Ouverture du transistor (blocage)
4.3.5 Première conclusion sur le fonctionnement du Boost MCB
4.4 Élévateur de type Boost MCB amélioré
4.4.1 Élimination des surtensions par une diode d’écrêtage
4.4.2 Élimination des surtensions par récupération et réinjection au primaire
4.5 Version finale du Boost MCB
4.5.1 Version prototype pour intégration au panneaux
4.5.2 Couplage du convertisseur MCB sur un onduleur
4.6 Dimensionnement du transformateur
L’encombrement
Énergie à transférer
Pertes dans le transformateur
Pertes dans les bobinages
Pertes dans le circuit magnétique
Pertes totales dans le transformateur
4.7 Problématique du choix du MPPT
MPPT Perturb and Observe (P&O)
MPPT à incrément de conductance
MPPT à asservissement de conductance
4.8 Conclusion
5 Expérimentations
Conclusion
