RECHERCHE DU POINT DE PUISSANCE MAXIMALE D’UN GPV

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Les cellules photovoltaïques

La cellule photovoltaïque est composée de matériauxsemi-conducteurs qui absorbent l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique. Le régime photovoltaïque est un régime où aucun potentiel n’est appliqué, mais où un courant circule à travers une charge. Le système développe donc une puissance électrique.

Fonctionnement

Le principe de fonctionnement de la cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et celles des semi-conducteurs. La conversion de photons en électrons dans un matériau pouvant produire un courant électrique nécessite:
– l’absorption des photons par le matériau (absorption optique) et la génération des porteurs de charges.
– la collecte des porteurs excités avant qu’ils ne reprennent leur énergie initiale (relaxation).
Une cellule photovoltaïque produit une tension de 0,5 V en circuit ouvert. L’intensité du courant fourni par cette cellule dépend des conditions environnantes et en fonction de la charge.

Circuit équivalent

Cas d’une cellule idéale[1]

Dans le cas idéal, la jonction PN soumise à l’éclairement photovoltaïque connectée à une charge peut être schématisée par un générateur deourantc Iph en parallèle avec une diode, délivrant un courant selon la Fig.1.3 qui représent le circuit équivalent d’une cellule solaire idéale.

Le Générateur photovoltaïque

Constitution [3]

La puissance délivrée par une cellule n’est pas assez pour alimenter une charge. Il est nécessaire d’utiliser plusieurs cellules raccordées en série/parallèle pour former un module photovoltaïque et atteindre une puissance désirée.
Dans notre cas, un module photovoltaïque est formé de 36 cellules polycristallines en série. L’interconnexion de cellules entre eux en série ou/et en parallèle pour obtenir une puissance encore plus grande, définit la notion de générateurphotovoltaïque GPV.
Si on pose Ns, le nombre des cellules connectées en série dans neu branche et Np, le nombre des branches connectées en parallèle. La figure 1.5 représente le schéma équivalent du GPV:
En associant les cellules PV en série (somme des tensions de chaque cellule) ou en parallèle (somme des intensités de chaque cellule), on peut constituer un GPV selon les besoins des applications visées. Les deux types de regroupementsont en effet possibles et souvent utilisés afin d’obtenir en sortie des valeurs de tension et intensité souhaitées. Ainsi, pourNs cellules en série, constituant des branches elles-mêmes (Np) en parallèle, la puissance disponible en sortie du GPV est donnée par : P N.V .N .I PV (1.10) PV s PV P
Si l’on désire avoir un GPV ayant un courant de sortie plus intense, on peut soit faire appel à des cellules PV de plus grande surface et de meilleur rendement, soit associer en parallèle plusieurs modules PV de caractéristiques similaires. Pour qu’un GPV ainsi constitué puisse fonctionner de façon optimale, il faut que les (Ns. Np) cellules se comportent toutes de façon identique. Elles doivent pour cela être issues de al même technologie, du même lot de fabrication et qu’elles soient soumises aux mêmes conditions defonctionnement (éclairement, température, vieillissement et inclinaison).
La puissance du GPV sera optimale si chaque cellule fonctionne à sa puissance maximale notée Pmax. Cette puissance est le maximum d’une caractéristique P(V) du générateur, et correspond au produit d’une tension optimale notée Vopt et d’un courant optimal noté Iopt. Pour réduire les disfonctionnements, les fabricants ont choisi de ne pas commercialiser des cellules PV seules. Ainsi, les générateurs PV se trouvent souvent sousforme de modules pré-câblés, constitués de plusieurs cellules, aussi appelés par abus de langage panneaux PV. Chaque référence de module a ses propres caractéristiques électriques garantiesà ±10 % selon le lot de fabrication.

Propriétés

Les caractéristiques électriques d’un panneau photovoltaïque varient en fonction de la température, de l’éclairement et, de façon générale, des conditions de fonctionnement lorsqu’il est connecté à une charge donnée. Nous rappelons brièvement dans ce paragraphe le comportement du générateur soumis à diverses contraintes. Ces notions sont en effet nécessaires pour comprendre le comportement d’un générateur PV et ensuite effectuer des optimisations de fonctionnement. Selon l’association en série et/ou parallèle de cescellules, les valeurs du courant de court-circuit ICC et de la tension à vide V C0 sont plus ou moins importantes. La caractéristiqued’un GPV constitué de plusieurs cellules a une allure générale assimilable à celle d’une cellule élémentaire, sous réserve qu’il n’y ait pas de déséquilibre entr les caractéristiques de chaque cellule (irradiation et température uniformes). Nous pouvons décomposer la caractéristique d’un générateur photovoltaïque en 3 zones, comme illustrées sur la Fig.1.6 :
– Une zone assimilable à un générateur de courant I proportionnel à l’irradiation, d’admittance interne pouvant être modélisée par 1/R, (zone 1)
– Une zone assimilable à un générateur de tension V d’impédance interne R (zone 2) C0 S,
– Une zone où l’impédance interne du générateur varietrès fortement de RS à R SH. (zone 3)
C’est dans la zone 3 qu’est situé le point de fonctionnement pour lequel la puissance fournie par le générateur est maximale. Ce point est appelépoint de puissance optimale, caractérisé par le couple (IOPT, VOPT), et seule une charge dont la caractéristique passe par ce point, permet d’extraire la puissance maximale disponible dans les conditions considérées.

Comportement en température et sous divers éclairements homogènes

Les influences de l’éclairement et de la températursur la puissance, pouvant être délivrée par un panneau PV sont importantes, selon la Fig.1.7 et Fig.1.8. Les variations du courant et de la puissance en fonction de la tension pour différents niveaux d’éclairements à température maintenue constante montrent clairement l’existence de maxima sur les courbes de puissance correspondant aux Points de Puissance Maximale Pmax (VOPT, IOPT). Lorsque l’irradiation varie pour une température donnée, le courant de court-circuit Icc varie proportionnellement à l’irradiation. Dans un même temps, la tension de circuit ouvert Vco varie très peu. Par contre, si la température croît à irradiation constante, la tension Voc décroît alors que le courant Icc croît légèrement .De ces données, on peut estimer qu’en fonction des conditions de fonctionnement auxquelles on va soumettre le panneau, on peut en déduire la puissance qu’il va pouvoir délivrer. Il faut cependant prendre quelques précautions quant à l’utilisation de ces données pour estimer la quantité d’énergie délivréepar un générateur.
• Une température constante de 25 °C est maintenue constante. L’ensoleillement Es varie. Les courbes obtenues sont illustrées sur la Fig.1.7 [4].
On remarque que l’influence due à la baisse de l’éclairement fait diminuer fortement la valeur du courant de court-circuit. Par contre la tension de circuit ouvert Voc diminue faiblement. Le point de puissance optimale chute.
• Pour un ensoleillement maintenu de 1 kW/m2 (100 %) constant, nous varions la température. La figure1.8 représente les résultats obtenus pourdes températures de 0 °C, 25°C, 30 °C et 35 °C [4].
On remarque que Icc est faiblement dépendant de la température alors que Vco est très sensible à la variation de la température. L’augmentation de la puissance optimale va dans le sens inverse de T.
On notera que les fabricants ne peuvent garantir ces données qu’à 10% près, compte tenue de la dispersion des caractéristiques de chaque cellule. La dispersion de ces données augmente lorsque le panneau est placé dans les conditions réelles defonctionnement. En effet, d’autres paramètres interviennent alors comme le vieillissement des cellules, les interconnexions avec les autres panneaux et la charge, l’incidence du rayonnement solaire, la qualité de l’irradiation et l’inhomogénéité des températures internes des cellues PV encapsulées. Les données « constructeur » ne restent donc qu’une estimation de la puissance pouvant être délivrée.
Ainsi, même si, à chaque instant, le taux d’irradiation et la température arrière du panneau sont connus, la puissance instantanée réellement délivrée n’est pas forcément celle indiquée dans les caractéristiques techniques. Diverses constantes detemps thermiques et électriques interviennent. Sans mesures directes, la connaissance du point de puissance maximal à un instant donné s’avère alors difficile à obtenir. Beaucoup de travaux de r echerche ont essayé de modéliserPmax et sont rapidement tombés sur ces difficultés. Les modèlesmis en jeu sont très vite devenus très complexes. La précision de sa valeur n’est toutefois pas garantie pour autant. Cette première analyse montre les difficultés à maîtriser ce type de source d’énergie. En effet, sans une connaissance précise des puissances délivrables, toute loi de commande consistant à optimiser le fonctionnement d’un générateur PV sera inefficace.

Influence de l’éclairement inhomogène

Dans certaines conditions, on ne peut pas garantir une irradiation homogène sur la totalité du GPV (ombres partielles sur le générateur PV, liéespar exemple à des feuilles d’arbre tombées à l’automne, ombres d’infrastructures de bâtiments). Ainsi, lorsqu’ une ou plusieurs cellules d’un GPV sont éclairées différemment par rapport à ses rochesp voisines, un comportement dégradé apparaît pour le GPV. Les cellules recevant moins d’énergie doivent dissiper le surplus de courant délivré par celles qui sont les plus éclairées, créant ainsi des échauffements locaux pouvant aller jusqu’à la destruction d’une partie du générateur PV si le défaut persiste. Des poussières sur l’ensemble des capteurs peuvent à la longue produir e ce type de défaut. Ces phénomènes ont une incidence directe sur la production d’énergie. La puissance délivrée par le générateur peut alors fortement chuter par rapport à la puissance produit e sous éclairement homogène, comme celle décrite sur la Fig.1.9 [4].

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : GENERALITES SUR LES GENERATEURS PHOTOVOLTAIQUES
1.1 Introduction
1.2 L’Effet photovoltaïque
1.3 Capteurs PV
a) Jonction PN
b) Modélisation Mathématique
1.4 Les cellules photovoltaïques
a) Fonctionnement
b) Circuit équivalent
1.5 Le Générateur PV
a) Constitution
b) Propriétés
c) Comportement en température sous divers éclairements homogènes
d) Influence de l’éclairement inhomogène
1.6 Inconvénients de la connexion directe GPV- Charge
1.7 Notion de rendement
a) Rendement de conversion d’une cellule PV
b) Rendement de conversion de puissance..
1.8 Résumé.
Chapitre 2 : ETUDES DES CONVERTISSEURS SURVOLTEURS
2.1 Introduction
2.2 Cahier des charges
2.3 Dimensionnement du convertisseur survolteur
a) Adaptation par le convertisseur DC-DC
b) Calcul de l’inductance de lissage
c) Calcul du condensateur de filtrage
d) Choix d’une diode
e) Choix de Mosfet
2.4 Fonctionnement du survolteur en mode continu
a) Cas pour l’intervalle: 0 £ t £ αT
b) Cas pour l’intervalle : αT £ t £ T
2.5 Relations entre les deux commutations de l’interrupteur
2.6 Rappels
a) La commandabilité
b) L’observabilité
c) La stabilité
2.7 Matrice de transfert F(p)
2.8 Diagramme de simulation
2.9 Résumé
Chapitre 3 : RECHERCHE DU POINT DE PUISSANCE MAXIMALE D’UN GPV
3.1 Introduction
3.2 Principe de la recherche du Point de Puissance Maximale
3.3 Rendement de la Chaîne de Puissance
3.4 Principe de la commande MPPT
a) Premiers types de commande MPPT
b) Evolution du point d’opération du GPV
3.5 La commande MPPT Numérique
a) Objectifs
b) Schéma de principe
c) Structure d’un système PV commandé par MPPT numérique
d) Structure de l’Algorithme
(i) Méthode de « Perturbation et Observation »
– Principe
– Organigramme fonctionnel
– Fonctionnement de l’algorithme P&O
(ii) Méthode de la « Conductance Incrémentielle »
– Principe
– Organigramme fonctionnel
– Fonctionnement de l’algorithme « Conductance Incrémentielle »
e) Comparaison des deux algorithmes
Chapitre 4 : RESULTATS DES SIMULATIONS
4.1 Présentation
4.2 Simulation d’un système photovoltaïque commandé par MPPT numérique
b) Méthode de « Conductance Incrémentielle »
4.3 Résumé
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES

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