REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

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1 REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOHAMED KHIDER DE BISKRA FACULTE DE SCIENCE ET DE LA TECHNOLOGIE DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE Filière : Electrotechnique Centrales Solaires Master 1 Energies renouvelables Dr. TERKI AMEL SEP

2 REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOHAMED KHIDER DE BISKRA

3 P Depuis la découverte du système Photovoltaïque, La récupération de l énergie solaire est devenue l une des applications les plus prometteuses : dans les pays développés où l utilisation du Système Photovoltaïque est pour l instant le plus courant, il sert habituellement de complément d énergie électrique à usage domestique en milieu urbain, et les panneaux solaires sont placés sur les toits d habitation. Profitant des conventions écologiques qui préconisent la consommation «d énergies propres ou renouvelables», son utilisation se généralise, et il est très fréquent de voir des compagnies d électricité réaliser des installations d appoints connectées au réseau. De plus, en dépits du coût d installation qui peut s avérer conséquent, l énergie solaire reste très compétitive par rapport aux autres formes d énergies, et cela malgré le faible taux d ensoleillement de ces pays développés qui ont majoritairement un climat tempéré. Dans les pays en voie de développement qui sont pour la plupart équatoriaux ou tropicaux, donc très ensoleillés, et qui ont beaucoup de localités où le réseau électrique est absent, l énergie Photovoltaïque devrait être par conséquent sans concurrence. Ce support de cours s adresse aux étudiantes premières années Master option énergies renouvelables, Module Centrales solaires. Il est conçu de façon progressive : des notions les plus simples vers celles plus compliquées sur l énergie solaire photovoltaïque. Dr. A. TERKI Option. Energies renouvelables Filière. Electrotechnique Dép. Génie Electrique Université de Biskra

4 SOMMAIRE 2015 Chapitre.1 Principe de conversion photovoltaïque 1.1.Introduction Historique Principe de fonctionnement Cellule solaire Les avantages spécifiques du photovoltaïque. 6 Chapitre.2 Modélisation et protection des modules photovoltaïque 2.1. Introduction Cellule photovoltaïque Les paramètres d une cellule photovoltaïque Caractéristiques d une cellule photovoltaïque Les différents modèles électriques d une cellule photovoltaïque Module photovoltaïque Effet de la variation de l ensoleillement et de la température Générateur photovoltaïque Protection Chapitre.3 Commande de la puissance générée via les techniques MPPT 31. Introduction Connexion directe source-charge Etage d adaptation entre GPV-Charge Commande de la puissance générée via les techniques MPPT.37 Chapitre.4 Mini-centrale photovoltaïque 4.1 Introduction Description d une installation photovoltaïque Le système photovoltaïque Les câbles de raccordement Les locaux techniques Les système des centrales photovoltaïques Les systèmes autonomes (off grid) Les systèmes raccordées au réseau (on grid) Les avantages et les inconvénients Dimensionnement d un système PV autonome Chapitre.5 Système centralisé 5.1 Introduction Parabolique Définition de la parabole Le support La marmite Mode d emploi Puissance et sécurité La centrale à tour DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

5 Chapitre1

6 CHAP1. PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE Introduction Chapitre1 Principe de Conversion Photovoltaïque Le soleil est une source énergétique quasiment illimitée, il pourrait couvrir plusieurs milliers de fois notre consommation globale d'énergie [1]. C'est pourquoi, l'homme cherche depuis longtemps à mettre à profit cette énergie importante et diffusée sur l'ensemble de la planète. Il est arrivé à réaliser ce but par le moyen dit cellule photovoltaïque. Le nom Photovoltaïque vient du Grec, il est composé de deux parties: Photos: Lumière. Volt: Unité de tension électrique, du nom Alessandro Volta. Ce phénomène fut découvert au19 ème siècle par le physicien Alexandre Edmond Becquerel. La première cellule photovoltaïque fut développée début 1954 pour l alimentation en énergie des satellites. Depuis1958, les cellules énergétique des satellites jusqu à photovoltaïques alimentent seulement le système ses premières applications terrestres au début des années 70. Le photovoltaïque fut utiliser pour l alimentation en énergie de petites maisons isolées et d équipements de télécommunications [2]. Dans ce chapitre nous détaillons les principes de fonctionnement d'une cellule solaire, la fabrication d'une cellule solaire et ses différents types. 1.2 Historique Les systèmes photovoltaïques sont utilisés depuis 40ans. Les applications ont commencé avec le programme spatial pour la transmission radio des satellites. Elles se sont poursuivies avec les balises en meret l'équipement de sites isolés dans tous les pays du monde, en utilisant les batteries pour stocker l'énergie électrique pendant les heures sans soleil [3] :Découverte de l effet photovoltaïque par Alexandre Edmond Becquerel. Il avait observé que certains matériaux faisaient des étincelles lorsqu ils étaient exposés à la lumière. Il démontra qu il s agissait d une conversion directe de la lumière en électricité : Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l espace : Trois chercheurs américains, Gerald Pearson,Daryl Chapin et Calvin Fuller, mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement au moment où l industrie spatiale naissante cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites. 1 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

7 CHAP1. PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE : Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l espace : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l Université de Delaware : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de km en Australie. 1.3 Principe de fonctionnement Cet effet met en jeu trois phénomènes physiques, intimement liés et simultanés ü L'absorption de la lumière dans le matériau ü Le transfert d'énergie des photons aux charges électriques ü La collecte des charges. Dans un matériau photovoltaïque, une partie du flux lumineux absorbé sera restitué sous forme d'énergie électrique. Il faut donc au départ que le matériau ait la capacité d'absorber la lumière visible, puisque c'est ce que l'on cherche à convertir : lumière du soleil ou des autres sources artificielles, L'énergie absorbée (à des photons d'énergie supérieure à celle du band gap) permet aux électrons d'être libérés (laissant un ion positif). Ces électrons libérés sont susceptibles de produire un courant électrique si on les attire ensuite vers l'extérieur [4]. Figure Principe de conversion de l énergie solaire En énergie électrique par cellule Photovoltaïque. Pour que les charges libérées par l'illumination soient génératrices d'énergie, il faut qu'elles circulent. Il faut donc les attirer hors du matériau semi-conducteur dans un circuit électrique. 2 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

8 CHAP1. PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE 2015 C ion créée volontairement dans le semi-conducteur. Le but est d'engendrer un champ électrique à l'intérieur du matériau, qui va entraîner les charges négatives d'un côté et les charges positives de l'autre côté. C'est possible grâce au dopage du semi-conducteur. Deux méthodes de dopage sont possibles : v Le dopage de type n (négatif), qui consiste à introduire dans la structure cristalline semi-conductrice des atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire, libre de se mouvoir dans le cristal (ex : le phosphore) v Le dopage de type p (positif) utilise des atomes dont l insertion dans le réseau cristallin donnera un trou excédentaire. (ex : le bore). Lorsque l on effectue deux dopages différents (type n et type p) de part et d autre de la cellule, il en résulte, après recombinaison des charges libres (électrons et trous), un champ électrique constant créé par la présence d ions fixes positifs et négatifs.[4] Figure Le champ électrique de la jonction PN. 1.3 Cellule solaire La cellule photovoltaïque «photopile» permet la conversion directe de l'énergie lumineuse en énergie électrique (Courant continu). Son principe de fonctionnement repose sur l'effet photovoltaïque. L'énergie des photons lumineux captés par les électrons périphériques (couche N) leur permet de franchir la barrière de potentiel et d'engendrer un courant électrique continu. Pour effectuer la collecte de ce courant, des électrodes sont déposées sur les deux couches de semiconducteur. (L'électrode supérieure est une grille permettant le passage des rayons lumineux. 3 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

9 CHAP1. PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE 2015 U antireflet est ensuite déposée sur cette électrode afin d'accroître la quantité de lumière absorbée [5]. Figure Description d une cellule Fabrication Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques disponibles à un niveau industriel, La pierre de silice est à la base de la production de cellules photovoltaïques, La silice est un composé chimique (SiO2.). Le silicium (Si) est un élément de la famille des cristallogènes, C'est l'élément le plus abondant sur la Terre après l'oxygène (27,6%). Il n'existe pas à l'état libre mais sous forme de dioxyde : la silice (dans le sable, le quartz, la cristobalite,...) les silicates (dans les feldspaths, la kaolinite, ) Procédé d extraction : Divers traitements du sable permettent de purifier le silicium qui est alors chauffé et réduit dans un four. Le produit obtenu est un silicium dit métallurgique, pur à 98% seulement. Ce silicium est ensuite purifié chimiquement et aboutit au silicium de qualité électronique (pur à % exactement) qui se présente sous forme liquide Par la suite, ce silicium pur va être enrichi en phosphore (qui deviendra la «partie N») ou en bore (qui deviendra la «partie P»), afin de pouvoir le transformer en semi-conducteur La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'une cellule photovoltaïque doit fonctionner environ 2 à 3 ans suivant sa technologie pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication. 4 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

10 CHAP1. PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE Différent type Il existe plusieurs types de cellules solaires au silicium : Cellules monocristallines Figure Type de cellule monocristalline. Première génération de photopiles Forme de plaquettes rondes, carrées ou pseudo-carrées, de surface bleu-gris uniforme. Rendement excellent de 15 % et jusqu à 24 % en labo. Méthode de production laborieuse et difficile, et donc, très chère. Il faut une grande quantité d énergie pour obtenir un cristal pure [6] Cellules poly cristalline Elles sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en plusieurs cristaux dont les orientations sont différentes. On les prépare en sciant en couches minces un bloc de silicium coulé. Elles ont un éclat brillant nacre bleu-gri (multicolore) [6]. Figure 1.2. Type de cellule poly cristalline. Rendement de 13 % et jusqu à 20 % en labo. Coût de production moins élevé. Procédé moins gourmand en énergie. 5 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

11 CHAP1. PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE Cellules amorphes Ces cellules sont composées d'un support en verre ou en matière synthétique sur lequel est disposé une fine couche de silicium (l'organisation des atomes n'est plus régulière comme dans un cristal). Elles ont une surface uniformément sombre. Figure 1.3. Type de cellule amorphe. Rendement de seulement 6 % par module et de 14 % en labo Coût de production bien plus bas Appliquées dans les petits produits de consommation : montres, calculatrices, mais peu utilisées dans le cadre des installations solaires. Cependant, elles ont l'avantage de mieux réagir à la lumière diffuse et à la lumière fluorescente et donc, elles sont plus performantes à une température élevée [6]. 1.4 Les avantages spécifiques du *photovoltaïque Par rapport aux autres sources renouvelables, le photovoltaïque offre des avantages particuliers: v Elle est exploitable pratiquement par tout, la lumière du soleil étant disponible dans le monde entier. v L équipement de production peut presque toujours être installé à proximité du lieu de consommation, évitant ainsi les pertes en ligne. v Il est totalement modulable et la taille des installations peut être facilement ajustée selon les besoins ou les moyens. v Aucun mouvement, pas de pollution directe ou indirecte (facteurs atmosphériques ou liquides, produits de nettoyage, risque d accident physique,...) aucun déchet, aucune perturbation pour l environnement de proximité, c est une énergie purement propre et écologique. v La maintenance et les réparations sont réduites à presque rien pour la partie photovoltaïque et à peu de chose pour l électronique associée. 6 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

12 Chapitre2 PV

13 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV Introduction Chapitre 2 Modélisation et Protection Des Modules Photovoltaïques L énergie solaire est disponible en abondance sur toute la surface terrestre, et malgré une atténuation importante lorsqu'elle traverse l'atmosphère, la quantité qui reste est encore assez importante quand elle arrive au sol. On peut ainsi compter sur 10000w/m² crête dans les zones tempérées et jusqu'à W/m²lorsque l'atmosphère est faiblement polluée. Dans ce chapitre, nous allons définir la cellule photovoltaïque, et leur paramètres, et les différents modèle électrique d'une cellule photovoltaïque, le module photovoltaïque, caractéristique d'un module photovoltaïque, l'effet de la variation de l'ensoleillement et de la température ainsi que la résistance série et parallèle, la protection et enfin le générateur photovoltaïque Cellule photovoltaïque La figure 2.1 présente le schéma équivalent d une cellule photovoltaïque sous éclairement. Il correspond à un générateur de courant Iph monté en parallèle avec une diode. Deux résistances parasites sont introduites dans ce schéma. Ces résistances ont une certaine influence sur la caractéristique I=f (V) de la cellule [7]: v La résistance série(r S ) est la résistance interne de la cellule; elle dépend principalement de la résistance du semi-conducteur utilisé, de la résistance de contact des grilles collectrices et de la résistivité de ces grilles. v La résistance shunt(r SH ) est due à un courant de fuite au niveau de la jonction; elle dépend de la façon dont celle-ci a été réalisée. Iph (D (&' R% I! D" R#$ V&' F)*+,-./0/ Schéma équivalent électrique de la cellule PV.. 7 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

14 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 Le modèle mathématique pour la caractéristique courant-tension d une cellule PV est donné par: I pv = I ph - I sat æ. ç ç e è ö -1 - ø æ V pv+ Rs. I pvö ç q. n. k. T V C pv+ è ø Où : K:est la constante de Boltzmann (1, J/K). Tc: est la température absolue des cellules en Kelvin(K). e: est la charge de l électron (e=1,610 19C). n :est le facteur d idéalité de la jonction (1 < n < 3). I pv : est le courant fourni par la cellule lorsqu elle fonctionne en générateur ; Vpv : est la tension aux bornes de cette même cellule. I ph : est le photo-courant de la cellule dépendant de l éclairement et de la température ou bien courant de (court-circuit). R SH : est la résistance shunt caractérisant les courants de fuite de la jonction. R S: est la résistance série représentant les diverses résistances de contacts et de connexions [8] Les paramètres d'une cellule Photovoltaïques Il existe de nombreux paramètres qui permettent caractériser une cellule solaire. Ces paramètres sont appelés paramètres photovoltaïques et sont déduits de la caractéristique I(V). La figure (2.2) représente une caractéristique courant-tension I(V) dans le noire et sous illumination typique d'une cellule photovoltaïque a jonction PN. Le trace de cette courbe permet d'accéder à bon nombre de paramètre physiques caractéristiques du composant les premiers paramètres qui apparaissent sur la caractéristique courant-tension d'une cellule photovoltaïque sont le courant de court-circuit(icc), la tension a circuit ouvert (Vco) et la puissance maximale. R. I S RS2 PV (2.1) 8 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

15 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 Figure Caractéristique courant tension et paramètre physique d'une cellule PV Le courant de court-circuit Icc C est le courant pour lequel la tension aux bornes de la cellule ou du générateur PV est nulle. Dans le cas idéal (RS nulle et RSH infinie), ce courant se confond avec le photo-courant Iph dans le cas contraire, en annulant la tension V dans l équation (2.1), on obtient : I pv = I ph - I sat æ ç. ç e è ö -1 - ø æ V pv+ Rs. I pv ö ç q. n. k. T V C pv+ è ø R. I S R34 PV (2.2) Pour la plupart des cellules (dont la résistance série est faible), on peut négliger le terme æ V æ pv+ Rs. I pvö ö ç ç q. è.. TC ø I. n k -1 sat e d5vant I ç ph. L expression approchée du courant de court-circuit est alors : è ø I cc I ph = (2.3) RS 1+ R67 Il a la plus grande valeur du courant généré par la cellule (pratiquement Icc = Iph) La tension de circuit ouvert Vco : C est la tension Vco pour laquelle, le courant débité par le générateur photovoltaïque est nul (c est la tension maximale d une photopile ou d un générateur photovoltaïque). 9 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

16 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 V pv æ ( q. n ) ö k T V C pv ICC I ç.. 0= - sat. e -1 - ç R è ø 89 (2.4) Dans le cas idéal, sa valeur est légèrement inférieur à n. k. T Où : Vth= Vp< c V co æ I ph : ö = V.ln ç + 1 (2.5) th è IS ø Le courant optimal C est le courant pour lequel la puissance est maximale noté : IOP La tension optimale C est la tension pour laquelle la puissance est maximale noté : VOP Puissance maximale La puissance fournie au circuit extérieur par une cellule photovoltaïque sous éclairement dépend de la résistance de charge (résistance externe placée aux bornes de la cellule). Cette puissance est maximale (notée Pmax) pour un point de fonctionnement Pmax(IOP, VOP ) de la courbe courant-tension (courants compris entre 0 et ICC et tension comprise entre 0 et VCO).( La puissance maximale idéale Pour une cellule solaire idéale, la puissance maximale Pmax idéale correspondrait donc à la tension de circuit ouvert VCO multipliée par le courant de court-circuit ICC: P = I V max idèale cc c; =>?6) En réalité, la courbe caractéristique d'une cellule PV est plus "arrondie", et la tension au point de puissance maximum VOP est inférieure à la tension de circuit ouvert VCO, de même que le courant fourni IOP est inférieur, pour cette même tension, au courant de court-circuit ICC. 10 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

17 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV Caractéristique d'une cellule Photovoltaïques: Caractéristique courant-tension : C'est une caractéristique fondamentale de la cellule solaire, définissant cet élément comme générateur. Elle est identique à celle d'une jonction P-N avec un sens bloqué, mais décalé le long de l'axe du courant d'une quantité directement proportionnelle à l'éclairement. Elle se trace sous un éclairement fixe et une température constante figure (2.3). Figure 2.3. Caractéristique I(V) d'une cellule solaire, T=25 C Zone de fonctionnement : La caractéristique fondamentale du générateur photovoltaïque donnée pour un éclairement et une température donnée, n impose ni le courant ni la tension de fonctionnement; seule la courbe I (V) est fixée. C est la valeur de la charge aux bornes du générateur qui va déterminer le point de fonctionnement du système photovoltaïque. La figure (2.4) représente trois zones essentielles [9] : ü La zone(i): où le courant reste constant quelle que soit la tension, pour cette région, le générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant. ü La zone (II) : correspondant au coude de la caractéristique, la région intermédiaire entre les deux zones, représente la région préférée pour le fonctionnement du générateur, où le point optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être déterminé. ü La zone (III) : qui se distingue par une variation de courant correspondant à une tension presque constante, dans ce cas le générateur est assimilable à un générateur de tension. 11 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

18 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 Figure 2.4. Les différentes zones de la caractéristique I(V), T=25 C Caractéristique Puissance-Tension La puissance débitée par le module photovoltaïque dépend du point de fonctionnement de cette dernière ; c est le produit de l intensité de courant et de la tension entre ses bornes figure (2.5). Le point «M» représente la puissance maximale débitée par le module. Figure 2.5. Caractéristiques P (V) d'un panneau solaire, T=25 C [10] Facteur de forme Un paramètre important est souvent utilise à partir de la caractéristique I(V) pour qualifier la qualité d'une cellule ou d'un générateur PV : c'est le facteur de remplissage ou fill factor (FF). Ce coefficient représente le rapport entre la puissance maximale que peut délivrer la cellule notée Pm@A et la puissance formée par le rectangle I CC VOB E 12 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

19 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 Plus la valeur de ce facteur sera grande, plus la puissance exploitable le sera également. Les meilleures cellules auront donc fait l'objet de compromis technologiques pour atteindre le plus possible les caractéristiques idéales [22]. Il est défini par la relation suivante : FF Pmax = V CO. I`` (2.7) Rendement Le rendement, h GHJ KHLLMLHs PV désigne le rendement de conversion en puissance. Il est défini comme étant le rapport entre la puissance maximale délivrée par la cellule et la puissance lumineuse incident, N P in P max FF. I cc. Vco h = = (2.8) Pin PiQ Ce rendement peut être amélioré en augmentant le facteur de forme, le courant de court-circuit et la tension a circuit ouvert. Le rendement de conversion est un paramètre essentiel. En effet, la seule connaissance de sa valeur permet d'évaluer les performances de la cellule Les différents modèles électriques d'une cellule PV Pour développer un circuit équivalent précis pour une cellule PV, il est nécessaire de comprendre la configuration physique des éléments de la cellule aussi bien que les caractéristiques électriques de chaque élément. Selon cette philosophie plusieurs modèles électriques ont été proposés pour représenter la cellule photovoltaïque [4]. Parmi ces modèles on peut citer les suivants : Modèle à sept paramètres [^ TW TXY TXZ [\] _^ abefgj klnl Modèle à sept paramètres 13 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

20 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 Les paramètres de ce circuit sont : IL = courant photonique. I01 = courant inverse de saturation de la diode 1. I02 = courant inverse de saturation de la diode 2. γ1= A1 (N oq rs te facteur de qualité de la diode 1. γ2= A2 (N oq rs te facteur de qualité de la diode 2. A1 et A2 : sont les facteurs d accomplissement des diodes 1 et 2. NCS = Nombre des cellules en série. RS = la résistance série. RSH = la résistance shunt. L équation I (V) caractéristique de ce circuit est : I = I L - I D1 - I D2 ( V+ IRS ) - Rxy (2.9) q ID 1= I01(exp( ( V + IRS )-1u g kt I D 1 C q 2 = I02(exp( ( V + IRS ))-1v g kt 2 C (2.10) (2.11) Substituer (2.10) et (2.11) dans (2.9) donne: I = ( I L - I q( V + IR (exp( g KT ) ) S 01-1 C 1ww (2.12) La diode modélise le confortement de la cellule dans l'obscurité. Le générateur de courant modélise le courant I de généré par l'éclairement, En fin les deux résistances modélisant les pertes interne: v Résistance série Rs : modélise les pertes ohmiques des matériaux. v Résistance Rsh : modélise les courant parasites qui traversant la cellule. 14 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

21 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV Modèle à six paramètres: ˆ ƒ ˆ Œ Ž Modèle à six paramètres. Les six paramètres de ce circuit sont : IL = courant photonique. I01 = courant de saturation de la diode 1. I02 = courant de saturation de la diode 2. γ1= A1 (N z{ } ~e facteur de qualité de la diode 1. γ2= A2 (N z{ } ~e facteur de qualité de la diode 2. NCS = Nombre des cellules en série. Rs = la résistance série. Les relations courant-tension pour ce circuit sont les suivant: I = I - I - I (2.13) L D1 D (exp( q I D1= I01 ( V+ IRS ))-1Š g1kt I D q 2 = I02(exp( ( V + IRS ))-1 g KT 2 C C (2.14) (2.15) Remplaçant (2.14) et (2.15) dans (2.13) nous obtenons: I = ( I L q( V + IRS ) q( V + IRS ) - I01(exp( )-1)- I02(exp( )-1 g KT g KT 1 C 2 C (2.16) 15 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

22 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV Modèle à cinq paramètres : Ÿ Ÿ Ÿ ª«Modèle à cinq paramètres. Le circuit équivalent de ce modèle est obtenu en utilisons une simplification au circuit de modèle à six paramètres représenté sur la figure (2.8). Cette simplification se traduit à supposer que la résistance série est négligeable. Avec une résistance série nulle, le circuit équivalent sera représentée comme suit figure (2.8). Les cinq paramètres de ce modèle sont : IL = courant photonique. I01 = courant de saturation de la diode 1. I02 = courant de saturation de la diode 2. γ1= A1 (N e facteur de qualité de la diode 1. γ2= A2 (N š e facteur de qualité de la diode 2. N = Nombre des cellules en série. L équation générale de ce modèle est : I = I - I - I (2.17) L D1 D (exp( qv. I D1 = I 01 )-1œ g.1. K. T I D (exp( qv 2 = I 02 )-1 g.2. K. T C C (2.18) (2.19) Remplaçant (2.18) et (2.19) dans (2.17) nous obtenons : I = ( I L qv qv. - I01(exp( )-1)- I02(exp( )-1žž g. K. T g. K. T 1 C 2 C (2.20) 16 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

23 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV Modèle à quatre paramètres µ ± ²³ µ Figure 2.9. Modèle à quatre paramètres. Les quatre paramètres de ce modèle sont : IL = le courant photonique I0 =courant de saturation inverse γ = facteur de qualité Rs =la résistance séries Les différentes équations décrivant ce modèle seront détaillées par la suite Modèle à trois paramètres : Si on suppose que la résistance série est nulle (comme pour le circuit à cinq paramètres) le circuit à 4 paramètres se réduit à un circuit à trois paramètres représenté par la figure (2.10). Ce circuit équivalent est considéré comme idéal. ¹º»¼ Les trois paramètres de ce circuit sont : IL = le courant photonique I0 =courant de saturation inverse Figure Modèle à trois paramètres 17 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

24 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 γ = facteur de qua lité Les relations courant-tension de ce circuit sont : I = I L - I (2.21) I D qv. = I0(exp( )-1½ g. K. T C (2.22) Si on remplace (2.22) dans (2.21) on obtient : I = I L qv. -I 0(exp( )-1¾ g. K. T C (2.23) 2.6. Module photovoltaïque Le module photovoltaïque est par définition un ensemble de photopiles (cellules solaires) assemblées pour générer une puissance électrique exploitable lors de son exposition au rayonnement utile (solaire ou autre). En effet, une photopile élémentaire ne produit qu une très faible puissance électrique moins de 3W avec une tension de l ordre d un volt (1V): entre 0,5 et 1,5V selon les technologies. Afin de produire plus de puissance, les cellules sont assemblées en série et en parallèle pour former un module photovoltaïque figure (2.11). Figure Module photovoltaïque [10] Les modules peuvent également être connectés en série et en parallèle afin d augmenter la tension et l intensité d utilisation. De plus, la fragilité des cellules au bris et à la corrosion 18 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

25 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 exige une protection en vers leur environnement et encapsulées sous verre ou sous composé plastique [11]. celles-ci sont généralement ÆÌÉÍÎÌÉÈÏÐ ÛÅÉÕáÏäÖÖÍÙÔÏÚåÄÚ By-pass diode ÞÌØ ßÈÐßÌØ Ä ÔÂà Ipv Ipv ÑÒ ÑÒ âèïó ãïðòéìðé ÁÎÏÓÍÊÉ À ÁÂà À ÔÐÒÏáÌÉÈÏÐ à ÔÐÒÏáÌÉÈÏÐ ÉÏ current gain Iph æçèé ÆÏáà f(z) = 0 z Vd Algebraic Constraint Vpv cell ÜÒ ÜÒ ÆÇÈÉÊË Ä ÅÂà Id ÔÏÕÖ ØÂÖÍÙÅÉÚÛÄÚ ÁÜÛÝÍÐÊÉÈÏÐ ÊËÌÎÌÊÉ ÎÈÒÉÈÊ Vd/Rp ÄÙÑ ÄÙÑ êëìíîï ðñòðñ Schéma en Simulink d un module (cellule) photovoltaïque. Figure Schéma de simulation d'un module photovoltaïque par Matlab. 19 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

26 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV Effet de la variation des paramètres internes Effet de la variation de résistance en série Dans un groupement en série, les cellules sont traversées par le même courant et la caractéristique résultante du groupement en série est obtenue par addition des tensions à courant donné. Les figures (II. (16; 17)) montrent la caractéristique résultante (I SCC,V SCO ) obtenue en associant en série (indices) N s cellules identiques(i CC,V CO ) : I SCC=I CC et V SCO =N S ó ô CO (2.24) Ipv V pv Figure Schéma de cellules photovoltaïques associées en série ÿ ÿ õö õý Vp øùú õûü Vp øý õþ Figure Schéma équivalente électrique de cellules photovoltaïques associées en série. 20 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

27 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 Figure Caractéristique P-V des cellules Photovoltaïques raccordées en série. Figure Caractéristique I-V des cellules Photovoltaïques raccordées en série. La plupart des panneaux photovoltaïques commerciaux sont constitués par des sous-réseaux de cellules connectées en série. Chacun de ces sous-réseaux est lui-même constitué d un groupe de cellules photovoltaïque 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 générateur photovoltaïque en cas de défaut partiel Association des Cellules Photovoltaïques en Parallèle Les propriétés du groupement en parallèle des cellules sont duales de celles du groupement en série. Ainsi, dans un groupement des cellules connectées en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et la caractéristique résultante du groupement est obtenue par addition des courants à tension donnée. Les figures (2.20) et (2.21) montrent les caractéristiques résultantes (I PCC, V PCO ) obtenues en associant en parallèle (indice p) N p cellules identiques: IPCC =NP I CC etv PCO =V CO (2.25) I pv V pv Figure Schéma de cellules photovoltaïques associées en parallèle. 21 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

28 AItr o CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 E E E R E R Figure Schéma électrique de cellules photovoltaïques associées en parallèle. 6 1Cellule 12 2Cellulesenparallèle 5 3Cellulesenparallèle 10 1 Cellule 2Cellulesenparallèle 3Cellulesenparallèle 4 8 ) W(v Pec ssi al LatensionVpv(V) La tensionvpv(v) Figure Caractéristique P-V des cellules PV Raccordées en parallèle Figure2.21. Caractéristique I-V des Cellules PV raccordées en parallèle Effet de la variation de l'ensoleillement et de la température Effet de la variation de l'ensoleillement L augmentation de l éclairement provoque le déplacement de la caractéristique suivante l axe des courants, car l accroissement du courant de court-circuit est plus important que celui de la tension de circuit ouvert parce que le premier est une fonction linéaire et le second est une fonction logarithmique [15]. 22 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

29 X ^ _ [ \ ] [Z Y X CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 Courant Ig(A) 5 *+, ' 3&5 3 %&5 % $&5 $ 0&5 1!/m 2 8!/m 2 4!"# 2 2!"# $00 $50 %00 %50 T Figure Influence de L éclairement I-V. f db ` UCC SCC QCC MCC OCC NCC KCC GHH >99:;< = 799:;< =?99:;< = B999:;< = C C DF GHH GJH KCC KMC T -./-6 Figure Influence de l éclairement P-V. 23 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

30 Ÿ œ ž œ š CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV Effet de la variation de la température Si la température de la cellule augmente, le courant généré augment par suite de la diminution de la largeur de la bande interdite du matériau. Cette augmentation est de V/ C, le courant direct dans la jonction augment aussi, mais beaucoup plus vite, il s ensuit une diminution de la tension de circuit ouvert de l ordre de 2 millivolts par degré et la puissance maximale disponible diminue de 0.35% par ( C). Ce faisceau de courbe se trace à un éclairement fixe, E=1000 W/m 2 [14]. g jj ourant Ig (A) n 3 m 1 ƒ h h jk lkk ljk mkk mjk quwxyzw { }{~ Figure Effet de la variation de la température sur les caractéristiques P-V. ˆkk nkk kk 200 lkk ƒ h h jk lkk ljk mkk mjk Š Œ Ž Œ Figure Effet de la variation de la température sur les caractéristiques P-V. 24 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

31 è å æ ç åä ã â CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV Effet simultané de l éclairement et la température En pratique, une variation importante de l éclairement entraînerait forcement une variation de température, les faisceaux de courbe sont illustrés sur la figure (2.27). Õººº»¼½ 2,80 C îourant Ig(A) 3 ª Öºº»¼½ 2,60 C ¹ºº»¼½ ¾ ÀÀÁ úº»¼½ ¾ úÁ 1 ˺º»¼½ ¾,25 C ª ª ØÙÚÛÜÝÚ ÞßàÞá Figure Effet simultané de l éclairement et la température sur les caractéristiques I-V. í ìë ê â é 400 «ª Õººº»¼½ ¾ ÖºÁ ÌÍÍÎÏÐÑ ÒÍÓÔ ¹ºº»¼½ ¾ ÀÀÁ úº»¼½ ¾ úÁ ÄÅÅÆÇÈ É ÊËÀÁ ª ª ±²³ ± µ µ Figure Effet simultané de l éclairement et la température sur les caractéristiques P-V. 25 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

32 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV Générateur photovoltaïque Le générateur photovoltaïque est un ensemble d équipements mis en place pour exploiter l énergie photovoltaïque afin de satisfaire les besoins en charge. En fonction de la puissance désirée, les modules peuvent être assemblés en panneaux pour constituer un "champ photovoltaïque". Relié au récepteur sans autre élément, le panneau solaire fonctionne "au fil du soleil", c'est-à-dire que la puissance électrique fournie au récepteur est fonction de la puissance d'ensoleillement [13]. Elle est donc à son maximum lorsque le soleil est au zénith et nulle la nuit. Mais, très souvent, les besoins en électricité ne correspondent pas aux heures d'ensoleillement et nécessitent une intensité régulière (éclairage ou alimentation de réfrigérateurs, par exemple). On équipe alors le système de batteries d'accumulateurs qui permettent de stocker l'électricité et de la restituer en temps voulu. En fonction de la puissance désirée, les panneaux eux-mêmes peuvent être assemblés pour constituer le champ (générateur) photovoltaïque. Le point de fonctionnement du générateur Photovoltaïque est caractérisé par : I = NP GPV ï (2.26) V = N ð (2.27) GPV S NP ñ Nombre de modules en parallèles. NS : Nombre de modules en séries Protection des cellules Pour garantir une durée de vie importante d une installation photovoltaïque destinée à produire de l énergie électrique sur des années, des protections électriques doivent être ajoutées aux modules commerciaux afin d éviter des pannes destructrices liées à l association de cellules en séries et de panneaux en parallèles. Pour cela, deux types de protections classiques sont utilisés dans les installations actuelles figure (2-29). 26 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

33 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 Figure Exemples d'association sécurisée de deux modules PV Commerciaux en parallèles avec leurs diodes de protections. v la diode anti-retour empêchant un courant négatif dans les GPV. Ce phénomène peut apparaître lorsque plusieurs modules sont connectés en parallèle, ou bien quand une charge en connexion directe peut basculer du mode récepteur au mode générateur, par exemple une batterie durant la nuit. v les diodes by-pass peuvent isoler un sous-réseau de cellules lorsque l éclairement n est pas homogène évitant ainsi l apparition de points chauds et la destruction des cellules mal éclairées. La mise en conduction de ces diodes affecte la caractéristique de sortie du générateur, comme illustré sur la figure (II-30) [14], par la perte d une partie de la production d énergie et par la présence de deux maximums de puissance. 27 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

34 CHAP2. MODELISATION ET PROTECTION DES MODULES PV 2015 òóôóõö ôøùöøúûü ýþûÿ C ÿ ôóöüûô PV lorsque l un des sous réseaux est isolé par la d d b-pass. òóôóõö ôøùöøúûü ýþûÿ C ÿ ôóöüûô P - r identiques, sans effet des diodes b-pass. Figure Effet de la diode by-pass sur la caractéristique I(V) D un générateur photovoltaïque. 28 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

35 Chapitre3

36 Chapitre4 Photovoltaïques

37 CHAP3. COMMANDE DE LA PUISSANCE GENEREE VIA LES TECHNIQUES MPPT 2015 Chapitre3 Commande de la puissance générée Via les Techniques MPPT 3.1. Introduction La conception d un étage d adaptation permet aujourd hui de relier aisément un générateur photovoltaïque (GPV) à une charge de type continue (DC), avec un rendement de conversion très élevé. En fait, un convertisseur à découpage continu-continu (DC/DC) Connexion directe source-charge La connexion directe est surtout utilisée en raison de sa simplicité de mise en œuvre, son coût minimal et sa fiabilité. En termes de rendement, même si la puissance du GPV est choisie judicieusement par rapport à la charge, ce type de connexion souffre souvent d une mauvaise adaptation électrique et présente des pertes importantes de production d énergie. - + Charge F3.1. Connexion directe source-charge Étage d adaptation entre un Générateur PV et une charge Un GPV présente des caractéristiques I(V) non linières avec des PMM, ces caractéristiques dépendent entre autre du niveau d éclairement et de la température de la cellule. De plus selon les caractéristiques de la charge sur laquelle le GPV débite, nous pouvons trouver un très fort écart entre la puissance potentielle du générateur et celle réellement transférer à la charge en mode connexion direct [17]. Afin d extraire à chaque instant le maximum de puissance disponible aux bornes du GPV et la transférer à la charge, la technique utilisée classiquement est d utiliser un étage d adaptation entre le GPV et la charge comme décrit dans la figure (3.2). Cet étage joue le rôle d interface entre les deux éléments en assurant à travers une action de contrôle le transfert du maximum de 29 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

38 CHAP3. COMMANDE DE LA PUISSANCE GENEREE VIA LES TECHNIQUES MPPT 2015 pssance fournie par le générateur pour qu elle soit la plus proche possible de Pmax disponible [18]. Aujourd hui, on peut trouver deux types d étages d adaptation électroniques distincts commercialisés. Le premier type permet de connecter le GPV à une charge continue telle qu une batterie. Il fait appel à des convertisseurs DC-DC. Ce type d architecture est la plupart du temps utilisé pour un fonctionnement en site isolé (hors réseau, off-grid en anglais). Dans certains cas, il n y a pas le choix car les caractéristiques de la charge ne sont pas compatibles avec la forme d électricité produite par un GPV. C est le cas de toutes les charges ayant besoin des tensions alternatives. Dans ce cas, on fait appel à un second type d architecture permettant d effectuer une conversion continu-alternatif (DC-AC). L étage d adaptation (partie de puissance) se compose généralement d un convertisseur statique, qui situé entre les panneaux solaires et la charge. Par définition un convertisseur statique est un montage permettant par une commande pertinente de un ou plusieurs interrupteurs à semi-conducteur de régler un transfert d énergie entre une source et un récepteur, Usuellement, au sein d un MPPT, deux types de convertisseurs statiques sont utilisés: É adaptati Charge.!"3.2. Étage d adaptation entre un GPV et une charge. v Des convertisseurs de type «Boost» : la tension en sortie (aux bornes de la batterie) est plus importante que celle en entrée (aux bornes du panneau solaire). v des convertisseurs de type «Buck» : la tension en sortie est alors plus faible que celle en entrée. Il existe d autres types d adaptation comme l utilisation des transformateurs et des girateur DC, mais sont moins utilisé par rapport les hacheurs [17]. Enfin, la connexion entre une source et une charge peut être optimisée en ajustant le rapport cyclique α pour que d un côté, le générateur puisse fonctionner à Ropt et d un autre 30 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

39 CHAP3. COMMANDE DE LA PUISSANCE GENEREE VIA LES TECHNIQUES MPPT 2015 coté que la charge puisse varier à sa guise dans la mesure où le point d intersection sourcecharge continue à exister Les Convertisseurs DC/DC L utilisation des convertisseurs DC-DC permet le contrôle de la puissance électrique dans les circuits fonctionnant en courant continu avec une très grande souplesse et un rendement élevé. Dans les systèmes photovoltaïques les convertisseurs DC-DC permettent de poursuivre le point de fonctionnement optimum. Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC. Ils sont classés par catégorie selon que la topologie isolée ou non isolée. Les topologies isolées emploient un transformateur d isolement fonctionnant à haute fréquence, elles sont très employées souvent dans les alimentations à découpage. Les topologies les plus connues dans la majorité des applications sont le Flyback, en demi-pont et en pont complet. Dans les applications photovoltaïques (PV), les systèmes de couplage avec le réseau électrique emploient souvent ces types de topologies quand l'isolement électrique est préféré pour des raisons de sûreté [4]. Les topologies non isolées ne comportent pas de transformateurs d isolement. Elles sont généralement utilisées dans l entrainement des moteurs à courant continu [4]. Ces topologies sont encore classées en trois catégories : v Abaisseurs (Buck); v Elévateurs (Boost); v Elévateurs - Abaisseurs (Buck-Boost) Le hacheur survolteur (Boost): Le schéma de réalisation de l étage d adaptation d un GPV à partir d un convertisseur de type boost est présenté en figure (3.3). Cette structure élévatrice est plutôt destinée aux applications où la tension de la batterie est supérieure à la tension de circuit ouvert V OC du générateur [26]. Figure 3.3. Circuit électrique de base du hacheur survolteur. 31 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

40 CHAP3. COMMANDE DE LA PUISSANCE GENEREE VIA LES TECHNIQUES MPPT 2015 Les équitations de la tension et de courant en régime établi sont : VPV V S = (3.1) 1 -a Cette équation montre que la tension V S est en fonction du rapport cyclique α et supérieur à celle d entrée V PV. = (1 ) (3.2) Cette dernière équation montre que le courant de sortie Is est en fonction du rapport cyclique et il inférieur à celui d'entrée. L adaptation optimale est alors réalisée lorsqu IPV et V PV valent respectivement I OP et V OP. Ceci correspond alors à une résistance optimale R OPT du générateur répondant à l équation suivante: Vopt 2 VS R opt= = (1-a ) = (1-a ) RS (3.3) I I opt S Figure3.4. Caractéristique de la tension et du courant du hacheur survolteur. Figure3.5. Circuit électrique de base du hacheur survolteur. Les paramètres de simulation d un convertisseur survolteur sont donnés dans le tableau suivant: 32 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

41 CHAP3. COMMANDE DE LA PUISSANCE GENEREE VIA LES TECHNIQUES MPPT 2015 Tableau3.1. Paramètres de simulation [21]. Paramètres Vg(V) I#ef(A) I0 (A) Is (A) $(F) RL(Ω) vale%rs 100 6&'( 3 0&03 10e-6 0&( Figure 3.6. Modèle de simulation du hacheur survolteur. v Les résultats de simulation sont illustrés par les figures ci-dessous. Figure3.7. La tension V C et rendement du convertisseur Hacheur dévolteur (Buck) La topologie Buck est employée pour les faibles tensions. Dans les applications PV, le convertisseur Buck est habituellement employé comme chargeur de batteries et dans des systèmes de pompage de l eau. Le hacheur dévolteur, sous sa forme de base est présenté par la figure (3.9). Les composantes clés sont l'inductance (L), le commutateur (Transistor) (S), la diode (D) et le condensateur (C). Celui-ci se charge par le commutateur (S). 33 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

42 CHAP3. COMMANDE DE LA PUISSANCE GENEREE VIA LES TECHNIQUES MPPT 2015 Figure3.8. Circuit électrique de base du hacheur dévolteur. Figure3.4. Caractéristique de la tension et des courants dans le transistor et l inductance d un convertisseur Buck. )*+,-./.10. Variation de la tension de charge avec le courant de charge pour un convertisseur Buck. 34 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

43 CHAP3. COMMANDE DE LA PUISSANCE GENEREE VIA LES TECHNIQUES MPPT Le convertisseur Buck-Boost La troisième topologie de base de ce convertisseur est donnée par la figure (3.12). Dans ce dispositif, la tension peut être augmentée ou diminuée selon le mode de commutation. Cependant, La tension de sortie est désignée opposé à la tension d'entrée.le circuit électrique de base du hacheur dévolteur-survolteur, et les caractéristiques du courant et de la tension de charge sont données par la figure (3.12). Figure 3.5. Circuit électrique de base du hacheur survolteur/dévolteur. Figure 3.6. Caractéristique de la tension et du courant du Buck-Boost Adaptateur continu/alternatif DC/AC Ce type d adaptation, bien connu également, fait appel à des structures de convertisseurs continu/alternatif de type onduleur. On peut distinguer aujourd hui trois grands types de structures utilisées en milieu industriel [22]: v les onduleurs à source de courant. v les onduleurs à source de tension et modulation de largeur d impulsion. v les onduleurs à résonance. 35 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

44 CHAP3. COMMANDE DE LA PUISSANCE GENEREE VIA LES TECHNIQUES MPPT 2015 Le principe de conversion d un onduleur est schématisé sur la figure (3.14) ci-après. Figure 3.7. Caractéristique de la tension et du courant du Buck-Boost. 4es paramètres de simulation d un onduleur sont donnés dans le tableau suivant: Tableau 3.2. Paramètres de simulation. 5aramètres 78c (V) 9:ef(A) 9S(A) ;L(Ω) 7:m<(V) =aleurs EAG EAEH JJE Figure 3.8. Différentes courbes des grandeurs transférées par l onduleur. 36 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

45 CHAP3. COMMANDE DE LA PUISSANCE GENEREE VIA LES TECHNIQUES MPPT 2015 Figure3.9. Schéma de bloc par Simulink d un onduleur Commande de la Puissance Générée via Les Techniques MPPT Les commandes MPPT basées; Algorithmes indirects Le mode de fonctionnement de ces commandes est basé sur des relations de proportionnalité entre les paramètres optimaux caractérisant le point de puissance maxima (VOP et IOP) et les paramètres caractéristiques du module PV (VOC et ICC). Suivant le paramètre contrôlé, on parle alors de commande en régulation de courant ou de tension Mesure de VOC(Fraction de VOC) Elle consiste à comparer la tension du GPV (VPV) avec une tension de référence qui correspond à la tension optimale (VOP). L erreur de tension est alors utilisée pour ajuster le rapport cyclique du hacheur, afin de faire coïncider les deux tensions. La tension de référence est obtenue à partir de la connaissance de la relation linéaire entre VOP et VOC d un modulepv VOP= kv.voc (3.5) Avec kv correspondant à un facteur de tension dont sa valeur dépend du GPV utilisé et de la température de fonctionnement Mesure de ICC (Fraction de ICC) Cette méthode est basée sur la connaissance de la relation linéaire en première approche entre IOP et ICC comme le montre l équation. IOP= ki.icc (3.6) 37 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES

46 CHAP3. COMMANDE DE LA PUISSANCE GENEREE VIA LES TECHNIQUES MPPT 2015 Avec ki correspondant à un facteur de courant qui dépend là aussi du GPV utilisé et est généralement compris entre 0.78 et L équation précédente montre que le courant IOP peut être déterminé par une mesure de ICC et que le PPM peut être atteint en appliquant un courant de référence égal à IOP à la régulation en courant du convertisseur. Ces types de commandes ayant besoin uniquement d un seul capteur Les commandes MPPT à algorithmes performants : Algorithmes directs L algorithme mis en œuvre dans les premières commandes MPPT était relativement simple. En effet, les capacités des microcontrôleurs disponibles à l époque étaient faibles et les applications, surtout destinées au spatial avaient beaucoup moins de contraintes en variation de température et d éclairement que les applications terrestres. Appliqué initialement au photovoltaïque, son principe a d abord été décrit par A.F Les commandes Perturbe and Observe (P&O) Le principe des commandes MPPT de type P&O consiste à perturber la tension VPV d une faible amplitude autour de sa valeur initiale et d analyser le comportement de la variation de puissance PPV qui en résulte. Ainsi, l incrémentation positive de la tension VPV engendre un accroissement de la puissance PPV, cela signifie que le point de fonctionnement se trouve à gauche du PPM. Si au contraire, la puissance décroît, cela implique que le système a dépassé le PPM. Un raisonnement similaire peut être effectué lorsque la tension décroît.donc c est suite à une perturbation de tension, la puissance PV augmente, la direction de perturbation est maintenue. Dans le cas contraire, elle est inversée pour reprendre la convergence vers le nouveau PPM. La méthode P&O est aujourd hui largement utilisée vue sa facilité d implémentation, cependant elle présente quelques problèmes liés aux oscillations autour du PPM qu elle engendre en régime établi. En effet, il est connu que ce type de commande permet d obtenir un rendement plus important durant une journée relativement ensoleillée, où le PPM évolue lentement et proportionnellement au soleil. Par contre pour une journée présentant de forts changements d irradiations très fréquents, cette commande présente plus de pertes,engendrées par le temps de réponse de la commande pour atteindre le nouveau PPM. 38 DEP. GENIE. ELECT. BISKRA M1. ER : CENTRALES SOLAIRES