8 Raisons pour lesquelles le Concept des Optimiseurs de Puissance est meilleur

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1 8 Raisons pour lesquelles le Concept des Optimiseurs de Puissance est meilleur Les Micros Onduleurs et les Optimiseurs de Puissance Comparaison Technique DEUX APPROCHES SIMILAIRES L'électronique au niveau des modules, appelés micro-onduleurs et optimiseurs de puissance, permet de surmonter les défaillances des systèmes PV (photovoltaïque) traditionnels grâce à la gestion du système au niveau du module et non pas au niveau de la chaîne. Les micro-onduleurs comme les optimiseurs de puissance permettent de collecter une quantité d énergie plus importante qu une chaîne traditionnelle ou qu un onduleur central, grâce à la Recherche du Point de Puissance Maximale (MPPT) au niveau du module. De plus, les composants électroniques au niveau du module proposent une maintenance plus aisée et une plus grande visibilité des performances du système grâce à la supervision du système au niveau du module, une sécurité améliorée par l arrêt automatique de la tension DC et la flexibilité de l installation. POURQUOI L APPROCHE DE L OPTIMISEUR DE PUISSANCE EST-ELLE MEILLEURE Les micros onduleurs atteignent leur fonctionnalité au niveau du module en plaçant un onduleur complet CD/CA sur chaque module, faisant de la conversion CD/CA le cœur du concept. Par contre les optimiseurs de puissance attribuent aussi des composants électroniques de puissance au module, mais à l inverse, ils conservent la conversion CD/CA au niveau de l onduleur. Il n est pas nécessaire d ajouter un onduleur à chaque module puisque les optimiseurs de puissance CD/CD accordent tous les avantages au niveau du module avec un coût inférieur, un rendement plus élevé et une plus grande fiabilité. AVANTAGES COMMUNS DES MICROS ONDULEURS ET DES OPTIMISEURS DE PUISSANCE SUR LES ONDULEURS TRADITIONNELS 1. Plus grande collecte d énergie 2. Sécurité 3. Contrôle au niveau du module 4. Flexibilité de l installation AVANTAGES DES OPTIMISEURS DE PUISSANCE SUR LES MICRO-ONDULEURS 1. Meilleure compatibilité du module et aucun écrêtage de puissance 2. Une production d énergie supérieure sur une plage plus étendue de MPPT 3. Fiabilité plus importante 4. Meilleur rendement 5. Technologie de communication supérieure (communication par courants porteurs en câbles CD) 6. Conformité avec les codes de réseau évolués 7. Coût inférieur du système, taux de retour sur investissement plus rapide 8. Possibilité d extension du système 1. COMPATIBILITÉ DU MODULE ET ECRÊTAGE DE PUISSANCE Afin de garantir une compatibilité de module plus vaste, les fabricants d électronique niveau du module doivent s adapter à des puissances nominales du module en constante augmentation. A l heure actuelle, les optimisateurs de puissance de permettent la connexion de modules pouvant atteindre 420 WDC et 125Voc, adaptés à la grande majorité des modules présents actuellement sur le marché. Ceci comprend aussi les modules à haute puissance crête généralement utilisés pour les installations commerciales. Dans leur état actuel, les micro-onduleurs permettent une connexion avec des modules dont les valeurs de puissance atteignent difficilement les 260WDC (et uniquement 60 cellules), et ne sont pas adaptés aux puissances de nombreux modules disponibles sur le marché.

2 De plus, ce n est pas la capacité CD connectée mais la limite de sortie CA du micro-onduleur qui détermine la quantité d énergie pouvant être récoltée d un module. La limite de sortie maximale actuelle pour un micro-onduleur Enphase M215, par exemple, est de 215WAC, alors que la puissance crête moyenne des modules actuels est supérieure à 230 W et augmente jour après jour. Malgré qu un certain surdimensionnement peut être toléré avec des onduleurs de chaine ou centralisés, la connexion d un module de 260W, par exemple, à un micro-onduleur de 215WAC, resulte en un surdimensionnement de 17% pouvant provoquer une écrêtement de la puissance de sortie et limiter les installateurs dans leur choix de module. 2. UNE PLAGE MMPT PLUS LARGE POUR UNE RÉCOLTE PLUS IMPORTANTE DANS CERTAINES SITUATIONS D OMBRAGE La tension du module décroît en cas d ombrage partiel. Lorsqu un module est partiellement ombré, ses sous chaînes sont généralement contournées, ainsi un nombre inférieur de cellules est disponible à la production. Ce phénomène entraîne une baisse de la tension au niveau du module. Si une ou deux sous chaînes sont partiellement ombragées, le module pourrait perdre un, voire, deux tiers de sa tension. Prenez pour exemple un module type de 60 cellules avec une tension MPP de 27VMPP. Dans ce cas, la valeur de 27VMPP décroît pour atteindre les 18VMPP ou 9VMPP, respectivement. Afin de récolter l énergie de façon efficace d un module partiellement ombragé, la capacité de suivi à faible tension est cruciale. Cependant, les micro-onduleurs nécessitent une tension relativement élevée afin d être en mesure de suivre le MPP d un module. Par exemple, la fiche technique du micro-onduleur Enphase M215 indique une tension minimale de 22V. Ce qui signifie que si la tension du module passe en dessous des 22V, ce micro-onduleur ne sera pas en mesure de suivre son MPP. Au contraire, il s eloignera du MPP du module afin de maintenir une tension suffisamment élevée et permettre la continuité du fonctionnement à un point de travail non optimal. Dans l exemple ci-dessus, (un module de 60 cellules avec des sous chaînes ombragées), cela voudra dire que le micro-onduleur M215 ne sera pas en mesure de suivre le MPP de ce module dans aucun des deux scénarios (18V ou 9V). (Figure 1). Inversement, les optimiseurs de puissance de entament un suivi du MPP dès 5V, ce qui signifie qu ils suivent le MPP du module même en situation d ombrage partiel important. Les optimiseurs de puissance réalisent ainsi un meilleur travail que les micros onduleurs dans des zones partiellement ombragées. (Figure 2). Considerant que l atténuation de la perte due à un ombrage partiel est l un des avantages les plus précieux du suivi MPP niveau du module, la plage de suivi MPP des électroniques niveau module reste un critère de selection de première importance. Max 55V Figure 1: Plus faible est la tension minimum du MPP pour le suivi du MPP au niveau du module, plus sa tolérance à l ombrage est élevée et plus la puissance peut être récupérée avant que les diodes de contournement ne soient activées 1. V MPPT = 27V V MPPT < 18V V MPPT < 9V Plage de suivi de la tension MPP Max 36V Enphase (M215) Min 22V Max 35V Enecsys (S240W) Min 23V Max 37V SolarBridge (P250LV-240) Min 18V (OP250-LV) Min 5V Figure 2: permet l utilisation de la totalité de la surface du toit en dépit d éléments pouvant causer des zones d ombrage (dans ce cas : une cheminée). L utilisation de la totalité du toit ne peut fonctionner que si la plage de MPPT de l appareil au niveau du module est suffisamment basse afin d éviter que les diodes de contournement du module ne soient activées. 1 :

3 3. FIABILITÉ La fiabilité est primordiale lorsqu il s agit d une technologie au niveau du module. Les garanties de durée de vie des modules, par exemple, reflètent une norme industrielle selon laquelle l acquisition d un équipement photovoltaïque constitue un achat à long terme. Conçus pour fonctionner avec des modules photovoltaïques, les micros onduleurs comme les optimiseurs sont jugés par rapport à ce standard. C est pourquoi les deux technologies proposent une garantie standard de 25 ans. Cependant, par comparaison aux modules photovoltaïques et aux supports de fixation, les appareils électroniques posent un défi quant à leur durée de vie. Les micros onduleurs nécessitent une large capacitance d entrée en raison de la faible fréquence du réseau. Dans de nombreux cas, elle est realisée avec des condensateurs électrolytiques. Comme mis en évidence par les courtes garanties standard fournies comparablement pour des onduleurs traditionnels, les condensateurs électrolytiques posent un défi particulier car ils contiennent des liquides qui s évaporent sous certaines conditions d exploitation, un facteur susceptible de raccourcir de manière significative la durée de vie des micro-onduleurs en comparaison avec celle des optimiseurs de puissance. Non contraints par les exigences de capacités CD/CA, les optimiseurs de puissance peuvent garantir une durée de vie prolongée du produit en se reposant sur deux composants fiables par essence : des condensateurs céramiques et des circuits intégrés à application spécifique (ASIC). Premièrement, les optimiseurs de puissance possèdent une fréquence de commutation élevée leur permettant d utiliser des condensateurs céramiques avec un taux de vieillissement faible et fixe. Deuxièmement, les ASIC permettent d intégrer plusieurs composants électriques requis sur une même puce. Le nombre de composants discrets est ainsi réduit et avec eux les points de défaillance potentiels (Figures 3 et 4). La conception des optimiseurs de puissance est par conséquent plus fiable. Figure 3: Le PCB de l optimiseur de puissance de comparé à un micro-onduleur de marque. (Images à la même échelle) Nombres de composants Condensateurs électrolytiques ASIC Optimiseur de puissance PCB : 186 composants y compris 2 puces ASIC PCB d un micro-onduleur de marque : 466 composants Taux de Figure 4: défaillance Les condensateurs céramiques possèdent 100% une durée de vie nettement plus longue que les condensateurs électrolytes. 80% 60% 40% 20% Défaillances cumulées par condensateur Contains evaporating fluids Electrolytic - 25 years warranty? Aucun vieillissement durant le fonctionnement Céramique 25 ans de garantie Années

4 4. CHALEUR PLUS FAIBLE ET RENDEMENT SUPÉRIEUR a. L influence de la dissipation de chaleur: Les optimiseurs de puissance dissipent moins de chaleur. Les optimiseurs de puissance sont plus efficaces que les microonduleurs dans la mesure où la production de chaleur associée à la conversion se fait dans l onduleur et non dans l optimiseur. Les optimiseurs de puissance de, par exemple, fonctionnent avec un rendement pondéré de 98.8%. De ce fait, moins de chaleur est dissipée dans le module (1.2%). Les micro-onduleurs possèdent un taux de rendement inférieur à celui des optimiseurs de puissance. Le rendement le plus haut connu pour des marques de micro-onduleur est de 96%, ce qui signifie que 4% sont dissipés sous forme de chaleur dans le module (Figure 5). Par conséquent, un rendement plus élevé améliore à la fois la durée de vie et la fiabilité du produit et du module. Figure 5: Les rendement de conversion plus faibles signifient que des températures plus élevées au niveau du module sont susceptibles d affaiblir son fonctionnement. Les optimiseurs de puissance possèdent un rendement maximal de 98.8% CEC. Par conséquent, la chaleur dissipée dans le module est négligeable comparée à celle des microonduleurs. RENDEMENT D UN APPAREIL AU NIVEAU DU MODULE ET LA CHALEUR DANS LE MODULE 1.2% 98.8% (OP250-LV) 4% 96% Enphase (M215) 5% 95% SolarBridge (P250LV-240) 8% 92% Enecsys (S240W-72) Chaleur dans le module Rendement de l appareil au niveau du module b. Influence sur le rendement: Actuellement le rendement de conversion pondéré des micro-onduleurs varie entre 92% et 96%. Le rendement pondéré du système est de 96.5% (rendement de 98.8% pour l optimiseur de puissance multiplié par 97.6% de rendement pour l onduleur). Ainsi, le rendement total du système reste bien plus élevé que celui de tout autre micro-onduleur : 96.5% (Figure 6). Figure 6: La figure montre comment les rendements combinés et pondérés des optimiseurs de puissance et des onduleurs sont supérieures au rendement pondéré des micro-onduleurs. RENDEMENT DU SYSTÈME 96.5% 96% 95% 92% (OP250-LV) Enphase (M215) SolarBridge (P250LV-240) Enecsys (S240W-72)

5 5. COMMUNICATION La communication entre les composants électroniques du module et le service de contrôle des données doit être robuste. Certaines sociétés de micro-onduleurs utilisent des moyens de communication sans fil entre chaque module et une passerelle, soit un environnement de travail qui n est pas suffisamment robuste afin de garantir une communication ininterrompue. L utilisation d une communication sans fil dans un environnement urbain apparaît particulièrement problématique. Le choix souhaité d une technologie de communication pour les composants électroniques au niveau du module peut se porter sur une communication par courants porteurs en ligne (CPL), à savoir une communication des données par câble. Dans le domaine des CPL, les micro-onduleurs utilisent des CPL CA, dans la mesure où ils sont connectés par des câbles CA. Le problème est que les CPL CA peuvent être facilement interrompus par un appareil électroménager branché à une prise CA dans la propriété. Les optimiseurs de puissance utilisent des CPL CD connectés à des modules via des câbles CD. En plus de leur robustesse, les CPL CD fonctionnent aussi dans un environnement de travail complètement isolé (et par conséquent complètement ininterrompu) ; le fonctionnement correct du contrôle au niveau du module est ainsi assuré. 6. COMPATIBILITÉ AVEC LES PARAMÈTRES RÉSEAU Du fait du nombre d installations PV en pleine croissance, certains pays européens ont adopté une nouvelle série de codes de réseau afin de préserver la stabilité du réseau électrique, tels qu une correction du facteur de puissance active, le maintien d alimentation en sous-tension (LVRT), etc. Le système est compatible avec ces codes de réseau alors que les microonduleurs ne le sont pas encore à l heure actuelle. 7. COÛT DU SYSTÈME ET RETOUR SUR INVESTISSEMENT a. Coût initial faible: Un système de micro-onduleur comprend généralement un micro-onduleur par module, des passerelles de communication et des câbles sources CA onéreux nécessitant des outils dédiés. Le courant limité des câbles sources CA restreint par la suite la quantité de micro-onduleurs pouvant être connectés à un même câble source. Par conséquent, les installateurs ont encore besoin de concevoir des chaînes CA et les séparer des disjoncteurs CA. De plus, dans la mesure où il n existe aucune norme confirmée pour les connecteurs de câbles sources, la compatibilité avec les anciens systèmes n est pas forcément garantie. Le coût initial du système est 20%-35% moins cher que celui d un système installé avec des micro-onduleurs (Figure 7). Tout d abord, le coût par unité d un optimiseur de puissance est inférieur à celui d un seul micro-onduleur. Comme décrit dans la section 3 de cette brochure, les optimiseurs de puissance renferment moins de composants que les micro-onduleurs. Le système comprend aussi un onduleur CD/CA extrêmement rentable en termes de rapport coût/ performance, avec un matériel de communication déjà intégré. De plus, une longueur maximum de chaîne de 25 modules permet aux installateurs de réduire les coûts de câblage dans un système. Les optimiseurs de puissance sont compatibles avec les connecteurs PV standard utilisés pour la connexion de modules PV et par conséquent sont faciles à remplacer. Figure 7: Le coût initial d un système comparé à un système de micro-onduleur pour une installation de 5kW, avec le détail des composants du système requis. Le coût d un système est en général inférieur de 20%-35%. COÛT > 20 optimiseurs de puissance > 25 ans de garantie par optimiseur de puissance > Contrôle du module gratuit > 1 onduleur > 12 ans de garantie standard, extensible à 25 ans > Contrôle de l onduleur gratuit > 1 passerelle de communication > Câble source AC > Outils personnalisés > 20 micro-onduleurs > 25 ans de garantie standard par microonduleur > Contrôle du module à un coût supplémentaire Micro-onduleur b. Retour plus rapide sur investissement: Ètant donné le coût de départ plus faible, le rendement plus élevé et une atténuation plus efficace des dysfonctionnements, la solution de présente un meilleur rapport coût-performance par rapport au système de micro-onduleur. Le retour sur investissement d une installation avec le système sera par conséquent plus rapide que pour un système installé avec des micro-onduleurs.

6 8. ÉCONOMIE D'ÉCHELLE: Il est un fait établi que le coût d un onduleur par Watt diminue lorsque la capacité de l onduleur augmente. En revanche, le principe d échelle ne s applique pas à la balance des composants du système alloués au niveau du module ; leur coût est linéaire par rapport au nombre de modules dans le système. Tandis que les micro-onduleurs ddupliquent la totalité de l interface au réseau pour chaque module, les optimiseurs de puissance permettent à l étape de la conversion CD/CA de ne se produire qu une seule fois sur l onduleur. Une étape centrale de conversion DC/CA signifie moins de composants et par conséquent une part significative des coûts reste adaptable. Les optimiseurs de puissance constituent au final une solution plus économique. MEILLEUR CONCEPT Tandis que les micro-onduleurs sont au départ plus attractif du fait de leur conception simple, aucun avantage n existe pour la solution «tout CA». En fait, les micro-onduleurs ou les «modules CA» présentent certaines limites. Tout d abord, les microonduleurs possèdent des capacités limitées en sortie CA, et par conséquent un manque de compatibilité avec de nombreux modules sur le marché. Les micro-onduleurs ont un taux de sortie limité alors que les modules sur le marché actuel tendent à des coupures de courant au niveau du module. De plus, les micro-onduleurs possèdent une plage MPPT restreinte réduisant leur rendement pour les zones partiellement ombragées et leur durée de fonctionnement. La communication des données dans un environnement CA souffre aussi d interférences. Finalement, le choix d utilisation de condensateurs électrolytiques ainsi que le nombre important de composants remettent en question la fiabilité du système de micro-onduleur et entraînent des coûts supplémentaires. Par contre, les optimiseurs de puissance travaillent efficacement dans un environnement CD de systèmes PV tout en fournissant toutes les caractéristiques requises au niveau du module. Les installateurs utilisant des optimiseurs de puissance bénéficient d une compatibilité complète au niveau du module, une grande fiabilité de produit, un rendement plus élevé, un domaine de suivi plus large du MPP avec une tension MPPT faible et une communication par courants porteurs en ligne CD ininterrompue. De plus, les optimiseurs de puissance et le système en particulier offrent une solution plus rentable en termes de coût-performance dans la mesure où la conversion CD/CA reste centralisée dans l onduleur. Il permet de maintenir le système à un coût faible et adaptatif par rapport à celui des micro-onduleurs. Les optimiseurs de puissance bénéficient tout simplement d une meilleure conception.

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