I
1 1 1 1
I I I I I I I
1 1
I
1 1
I I I I
emerciemerï±s
g\lious tenons tout d'abord à remerci,er Di,eu [e tout }9'rissamt qui nous a d;o'i'mé ûa fbrce et ûa j)atience d'accoi'n;pftr ce tra;vat[.
g\llous remercions j)articuaèrement notre j)romotew Mr. 9+JUDDAD Soficme pour ses }9récieux consei[s et ses orieniæli,ons avtsées
ai:nst que ghr. "g\4ARl yahta }9our Ci:mmense soutien qu'i[ nous a aflporté.
J\lious rei'rLercions égaûement toutes ûes
persomes qui nous ont j)rêtés iinatmfbrte pow ûa conception d;e ce iinodeste travai[.
J\4erci à tous et à toutes
I I
1 1
I I I
1 1
I I
1 1 1 1
I I I
1 1
I
Dédicace
_'1
9Mon défmt Père
_'.\
Ma très chère g\4ère
_'.\
gvta sœuy
_'.\
Jvies frères J4
gv4es mei,ûïieurs amis
Età
Tlous mes ca:inarades
AbdeühaÆ
1
I
1 1
I I I
1 1
I I I
1 1 1
I I I
1 1
I
®édicace
J4
gries chers Parents
_:-1
Mes frères J4
JMes soeurs
_'1
g\4es metüïieurs amts
Età
q:ous i'n,es ca:rnarad;es
asser
1
I
1 1
I I
1 1
I I I
1 1 1
I I I I
1 1
I
Table des Maiières
œa6[e des Ma;tières
Introduction Générale
Chapitre 01 : Introduction aux énergies renouvelables
1.1-Introduction. .
1.2 - L'importance des énergies renouvelables dans la protection de
l.environnement...
I.2.1 -Différents types d'énergies renouvelables ... 6 1.3 -La conversion photovolta.i.que ...
1.3.1 -Principe de la conversion Photoélectrique 1.4 -Modélisation des générateurs PV ...
1.4.1 -Influences des paramètres extemes 1.4.1.1 -Courant de court-circuit ....
1.4.1.2 -Tension de circuit ouvert
1.4.1.3 -Puissance optimale ...,...,..., 1.4.2 -Influences de l'éclairement ...
1.4.3 ~ Influences de la température ...
1.4.4 -Association de cellules PV ...
1.4.5 -Systèmes photovolta.i.ques ...
1.5 - Suivi de la puissance maximale du générateur photovolta.i.que ...
1.5.1 -Principe du MPPT ...
1.6 -Conclusion ...
Chapitre 02 : Électronique de puissance et convertisseur
11. 1 -Introduction ...,...,...
6 6 9
10
10
11
11
m
12 13
15 16 16 17
19 11.2 -Electrorique de puissance ... 20
11.2.1 -Généralités su la conversion . . .
I I I
1 1
I
1 1
I
1 1 1
I I
1 1 1
I I I I
Table des Matières 11.2.2 -Les méthodes d'étude des convertisseurs de puissance ... 20 11.2.3 -Interrupteurs
11.2.3.1 -Commutation a fiéquence élevée
11.3 - Les composantes ...
11.3.1 -Choix des semi-conducteurs
11.3.2 -L'IGBT ...
11.4 - Présentation du circuit
11.5 - Différentes pertes dans le système Boost 11.6 - Onduleur
11.6.1 - Présentation de la structure
11.6.2 - Convertisseur multicellulaire série N niveaux ... 30 11.6.3 -Les convertisseurs Multiniveaux à structure NPC (Neural
point clamped)
11.7 - Modulation ...
11.7.1 - Contrôle indirect par MLI ...
II.7.2 -MLl calculée ...,..,... 33
11.8 -Harmoniques dans les onduleurs de tension 11.8.1 - Effets des perturbations hamoniques ...
11.8.1.1 -Les effets instantanés ou à court terme
11.8.1.2 - Les effets à long teme ... 34
11.9 - Conclusion
Chapitre 03 : Onduleur DCÆ)C/AC
111.1 - Introduction
111.2 - Problème à résoudre
111.3 - Les topologies ...,,...
111.3.1 -Les Topologies Actives ...
111.4 -Onduleur élévateur de tension
111.4.1 -Lors de l'altemance positive ...
37 38 39 40 40
41
I I I I I I
1 1
I
1 1
I I
1 1
I I I I
1 1
Table des Mailères 111.4.2 -Lors de l'altemance négative ...
111.4.3 - Calcul de la valeur moyenne ...
111.5 - La loi de commande ...
111.5.1 -Choix des composants 111.6 -Conclusion
Chapitre 04 : Simulation et réalisation
IV.1 -Introduction
41 .... 42
IV.2-Simulation...,...
IV.2.1 -Paramètres de la simulation ...
IV.2.2-Les résultats de la simulation
50
51
52 52
IV.2.3-Analysedusignaldesortie ... „ 53
IV.3-Réalisation
IV.3 .1 -Condensateur C ...,...,,...
IV.3 .1. l -Ondulation de tension AVS ... 55
IV.3.2-Éléments réactifs
IV.3 .2.1 - Inductance L ...,.,...,... 57 IV.3.3-Choix de la section du Fil ...,...,...,... 58
IV.3.4~Choix et dimensionnement des semi-conducteurs de puissance 59 IV.3.5-Carte de commande . . .
IV.3 .5 ,1 - Implantation numérique ...
IV.3.6-Le circuit d'interface
IV.3.7-La sortie du circuit d'interface
60
61 61
64
IV.3.8-Circuit de l'onduleur ...,...,. 66
IV.4-Mise en marche et résultats ...
IV.5-Conclusion
Conclusion Générale et perspective ....,,,.,,...,...,,... 71
Bibliographie...
I I I I I
1 1
I I I I I I I I I I
1 1
I I
Liste des Figures
Figue 1.1 : Nomes de mesures du spectre d'énergie lumineuse émis par le soleil, notion de la convention AM
Figure 1.2 : Schéma de principe de la conversion photoélectrique Figure 1.3 : Schéma électrique équivalent d'un module PV Figure 1.4 : Caractéristique I(V) d'un module solaire ...
Figure 1.5 : Caractéristique P(V) d'un module solaire ...
Figure 1.6 : Caractéristique I-V pour différentes éclairement Figure 1.7 : Caractéristique P-V pour différente éclairement
Figure 1.8 : Caractéristiques I-V pour différentes températures ...
Figure 1.9 : Caractéristiques P-V pour différentes températures ...
Figure 1.10 : Association parallèle des cellules photovolta.i.ques ...
Figure 1.11 : Association série des cellules photovolta.i.ques ...
Figure 1.12 : Association série-parallèle des cellules photovolta.i.ques ...
Figure 1.13 : Chaîne de conversion d'énergie solaire comprenant une
commande MPPT ...
Figure 11.1 : Classification des composants de puissance en fonction de la fréquence de découpage des composants
Figure 11.2 : Symbole d'un IGBT ...
Figure 11.3 : Schéma de principe d'un hacheur boost ...
Figure 11.4 : Présente l'allure du signal de commande appliqué ...
Figure 11.5 : Schémas équivalents lors des séquences 1 (gauche) et 2 ( droite)
Figure 11.6 : Onduleur de tension monophasé à un bras ...
Figure 11.7 : Fome général d'un convertisseur à N niveaux en cascade ...
Figure 11.8 : Onduleur à structure NPC à N niveaux ...
Figure 111.1 : Changement du MPP en fonction de la luminosité .,..., Figure 111.2 : Influence de la température sur MMP ...
Figure 111.3 : Caractéristique de la puissance du générateur PV ..,,...
Figure 111.4 : Allure de la tension et de la puissance face à une variation de luminosité
Figure 111.5 : Circulation du courant dans le circuit du convertisseur DC-DC- AC lors de l'altemance positive
Figure 111.6 : Circulation du courant dans le circuit du convertisseur DC-DC- AC lors de l'altemance négative
Figure 111.7 : Variation de la tension moyenne du convertisseu DC-DC-AC en fonction de la valeu du rapport cyclique Œ avec une tension d'entrée:Ve =24V
17
43
I
1 1
I I
1 1
I I I I
1 1
I
1 1
I
1 1 1
I
Liste des Figures Figure 111.8 : quelques points de la sinuso.i.de en fonction de la variation de la
valeur du rapport cyclique Œ
Figure 111.9 : fome et domaine de variation du rapport cyclique Œ en fonction du rapport d'élévation K
Figure 111.10 : La forme du signale de sortie de l'onduleu durant une période de commutation
Figure 111.11 : Tensions et courant arbitraires pou la déduction des interrupteurs
Figure 111.12 : caractéristique I(v) que doit présenter les interrupteurs Kl et K2
Figure 111.13 : caractéristique I(v) que doit présenter les interrupteurs K1 ', K1",K2',K2"
Figure IV.1 : Model de simulation du convertisseur DC-DC-AC sous Matlab
Simulink ... ' ... ' . ' ' ...
Figure IV.2 : Evolution de la tension aux bomes de la charge de l'onduleur DC-DC-AC
Figure IV.3 : Evolution du courant qui traverse la charge de l'onduleur DC-DC-AC .
Figure IV.4 : Le courant qui traverse chaque lnductance Ll et L2 des deux étages DC-DC-AC
Figure IV.5 : Analyse de Fourier de la tension aux bomes de la charge ...
Figure IV.6 : Analyse de Fourier du courant qui traverse la charge RL ...
Figure IV.7 : Montage condensateur de l'onduleur DC-DC-AC ...
Figure IV.8 : Le tor utilisé pour la réalisation d'inductance ...
Figure IV.9 : Inductance dans le convertisseur
Figure IV.10 : Symbole d'un IGBT de puissance ...
Figure IV.11 : Microcontrôleur Arduino Méga basé sur l'ATmega2560 ...
Figure IV.12 : Schéma fonctionnel de TLP 250
Figure IV.13 : Image 3D du circuit d'interface ...
Figure IV.14 : le routage en cuivre du circuit d'interface
Figure IV.15 : Le circuit d'interface après la réalisation et l'implantation de
composants...
Figure IV.16 : Signal de commande qui sort de l'arduino ...
Figure IV.17 : Signal de commande qui sort du driver optocoupleur ..., Figure IV.18 : Signale de sortie du NAND 7400, complémentaire du signale de sortie de l'Arduino
Figure IV.19 : Signale Complémentaire du signale de sortie de l'Arduino après amplification
Figure IV.20 Figure IV.21 Figure IV.22 Figure IV.23 charge
Figure IV.24 DC-DC-AC.
Typon pour la réalisation de l'onduleur DC-DC-AC ..., Ensemble du circuit de 1'onduleur DC-DC-AC ...
Ensemble du circuit de l'onduleur DC-DC-AC ...
(a) essais de l'Onduleur DC-DC-AC, (b) ensemble Onduleur- Tension de sortie aux bomes de la charge de notre onduleur
43 45
51
65
69
I
1 1 1
I
1 1 1
I I
1 1
I I
1 1
I I
1 1
I
Liste des Tableaux
Tableau 11.1 : Différentes caractéristiques des différents composants d'électronique de puissance
Tableau 11.2 - états des interrupteurs d'un onduleur classique ...
Tableau 111.1 - Valeus du rapport cyclique qui correspondent à des valeurs de 1a tension de la sinuso.i.de.
Tableau 111.2 : courants et tensions aux bomes des interrupteurs du circuit lors de l'altemance positive
Tableau 111.3: courants et tensions aux bomes des interrupteurs du circuit lors de l 'altemance positive
Tableau IV.1 : Le tableau qui contient les valeurs
44
47
I I I
1 1 1
I I I I I
1 1
I I I
1 1 1 1 1
Introduction générale
Introduction générale
11 est aujourd'hui bien démontré que le réchauffement planétaire et les changements climatiques enregistrés ces demières décennies sont intimement liés aux émissions de gaz à effet de serre.
Parmi ceux-ci, le dioxyde de carbone (C02) semble le plus impliqué. Sa concentration dans l'atmosphère a augmenté à des niveaux inquiétants. Cette augmentation est imputée aux émissions croissantes suite à l'utilisation intensive de combustibles fossiles dans les domaines des transports et de l'industrie. Consciente des enjeux planétaires à venir, la communauié intemationale s'est attelée depuis peu à réduire les émissions du C02 par l'introduction de sources altematives d.énergies non polluantes. Les énergies renouvelables sont donc appelées à jouer un rôle important dans le développement durable. Parmi ces sources d'énergie, la filière photovoltal.que s'avère l'une des plus prometteuses. La principale limitation du développement du photovolta.i.que est son prix relativement élevé comparé aux sources conventionnelles.
Certes, l'énergie solaire peut être facilemcnt convertie en plusieui.s autres types d'énergie tel que themique mais le choïx très répondue du photovolta.i.que revient au fait que L'électricité est une forme d'énergie très malléable, facile à transporter et réglable ou transfomable avec un très faible taux de peiies par rapport aux autres types d'énergies tel que thermique. L'énergie électrique, associée à des convertisseurs statiques, est plus facile à maîtriser que. par exemple, l'énergie permettant un réglage plus fin et une réduction des coûts de maintenance.
Le travail Présenté dans ce mémoire s.inscrit dans le cadre général de la conversion et le traitement de l'électricité qui provient des sources renouvelables et spécialement le photovolta.i.que. C'est l'onduleur qui est un élémem très important dans un système PV car il joue le rôle de l.interface entre les appareils qui consomment l'électricité et le champ de production de cette énergie, ce qui fait de cet élément du système le point de passage de tous les perturbations de chaque côté vers l 'autre.
D'une manière générale le traitement de l.énergie dans les systèmes photovolta.i.ques est rendu délicat principalement par la non-linéarité de la caractéristique / = fly ). Cela impose la mise en place d'un <<Tracking>> intelligent du point de puissance maximale.
Plusieurs stratégies existent et c'est l'incrément de conductance qui a été choisi pour ses qualités de précision et de facilite de mise en œuvre. Chaque convertisseur ainsi dote de son propre MPPT
I I I I
1 1 1
I I
1 1
I
1 1
I I I
1 1
I I
I ntroduction générale
Cependant, le fait de foumir à l'onduleu une tension continue dont la tension en fonction du courant évolue fort différemment d'un string photovolta.i.que pose des problèmes d'accrochage au réseau. Aussi, une adaptation du MPPT des convertisseurs est donc nécessaire afin que la puissance délivrée par ces demiers présente un maximum autour d'une tension particulière établie par avance, tout comme le ferait un string de panneaux.
Notre travail est divisé en quatre chapitre ces chapitre sont répartie en deux groupes, le premier groupe est composé des deux premiers chapitres, le chapitre un est une généralité sur les énergies renouvelables et spécialement le photovolta`i.que ainsi que le fonctionnement et le comportement des cellules solaires face aux différentes variations des grandeurs d'entrés tel que la température et l'éclairement. Et le chapitre deux est une présentation de la discipline a quel on a recours pour le traitement et la conversion de l'électricité en générale c'est l'électrotechnique avec ses notions e. ses outilles de base, Ce premier groupe justifie le choix, la fome, le fonctionnement et la constitution de notre onduleur. Le deuxième groupe conceme seulement cet Onduleur, c'est a la fois une présentation et une concrétisation, 11 est aussi divisé en deux chapitres, Le chapitre trois qui est une présentation et une étude basique de l'onduleu sujet d'étude et le chapitre quatre qui est la concrétisation est simulation et réalisation de notre onduleur.
I I
1 1
I
1 1
I I
1 1
I
1 1
I
1 1
I I I I
CHAPITRE I :
Introduction aux énergies renouvelables
1
I I
1 1
I I I
1 1 1
I
1 1 1
I
1 1
I I I
Chapitre l : Introductlon aux énergies renouvelables
1. 1 - Introduction
Dans le contexte global d'améliorations des perfomances d'un système de conversion d'énergie renouvelables et spécialement le photovolta.i.que (PV), il nous a semblé intéressant de commencer ce mémoire par la présentation de l'importance du domaine auquel appartient ce type d'énergie qui est les énergies renouvelables afin de justifier le choix de cette orientation.
Nous proposons de partager cette vision globale avec le lecteur afin de pouvoir anticiper les besoins fiiturs et ainsi que chacun puisse se forger son propre avis sur le développement photovolta.i.que du fiitur et surtout pour notre pays.
Nous rappelons brièvement le principe de la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique reposant sur l'effet photoélectrique, c'est à dire su la capacité des photons à créer des porteurs de charge (électrons et trous) dans un matériau. Le domaine « Génie électrique » étant notre spécialité, nous sommes attachés à utiliser des modèles électriques simplifiés pour décrire le comportement des différentes cellules rencontrées tout au long de ce chapitre.
La variation pemanente des grandeurs d'entré tel que l'irradiation solaire et la température ont imposé le fait que la recherche pemanente du point de puissance maximale est la tâche la plus importante de la gérance du fonctionnement d'un système photovolta.i.que c'est ce qui explique la présence de la présentation du principe du MPPT et par rapport à notre mémoire la variation de ce point de puissance maximale est la principale cause de notre orientation du choix de l'étude de cet onduleur.
1
I I I I I I
1 1 1 1
I I I I I I
1 1
I
1
Chapitre l : Introductlon aux énergies renouvelables
1.2 - L'importance des énergies renouvelables dans la protection de l'environnement
La protection et la pTéservation de l 'environnement via la démocratisation de l 'utilisation des énergies renouvelables, ne cesse de préoccuper chercheurs et écologistes à travers le monde. Selon les experts, de nombreuses nuisances en rapport avec les changements climatiques ont fait leur apparition à travers plusieurs pays tels les inondations, les cyclones, les émissions de gaz à effet de serre, les érosions accélérées des sols et les pertes en matière de diversité génétique. Toutes ces nuisances font peser une menace écologique sans précédent sur I'environnement à l'échelle mondiale, affiment les experts et d'ajouter la question qui se pose aujourd'hui est comment remédier à la situation et comment maîtriser l'énergïe ? La seule solution qui pounait sauver la planète est aujourd.hui l'orientation vers l'énergie renouvelable qui provient du soleil, du vent et des marées, qui va pemettre de proscrire l'énergie fossile provenant du charbon, du gaz naturel et du pétrole, qui sont les plus grands polluants de l.atmosphère d'où dérivent les nuisances qui sont les causes des changements climatiques dramatiques qui causent les phénomènes auxquels sont confrontés tous les pays.
Pour remédier à ce problème, nous nous orientons vers les énergies renouvelables qui offfent beaucoup d'avantages :
i . Elle est renouveiable et ne peut pas s'épuiser.
2. Elle est propre et non polluante, à la différence de combustibles fossiles qui émettent des hydrocarbures et du C02 dans l'air une fois qu'ils sont brûlés.
3. Elle peut être disponible localement, contrairement aux combustibles fossiles qui ne sont disponibles que dans certains pays, qui ont des réserves pétrolières. Ainsi, le coût de l'énergie n'est pas contrôlé par la situation économique et politique des autres pays qui sont impliqués dans l'approvisionnement en pétrole.
4. Une fois la production d'énergie renouvelable mïse en place et les investissements réalisés, le coût de l'énergie sera moins cher que le coût des combustibles fossiles, parce que les sources sont abondantes et gratuites.
L'Algérie, pays concemé par la réduction de la consommation d'énergie fossile, s'est inscrite énergïquement dans la tendance mondiale à réduire ses émissions de gaz à effet de serre à travers la loi n°99-09 du 28 juillet 1999 relative à la maîtrise de l'énergie. Cette loi consiste essentiellement à réduire à néant la menace de la couche d.ozone par la pollution
5
I I I
1 1
I
1 1 1
I I I
1 1
I
1 1
I I I I
Chapitre l : Introdutiion aux énergies renouvelables industrielle, l'utilisation de l.énergie solaire dans le bâtiment qui va pemettre de réduire, selon les experts, de 30 à 40% la consommation hors poste cuisson, un procédé qui consiste à produire l'électricité à partir de panneaux solaires, ]a ventilation naturelle des bâtiments, l'éclairage et l'ombrage à partir de sources naturelles. Dans le contexte des énergies renouvelables, il est programmé la réalisation de 16 villages solaires avec é]ectrification en photovolta.i.que et 50 centres solaires.
1.2.1 -Différents types d'énergies renouvelables
11 existe deux principales sources naturelles d'énergie renouvelable : le Soleil et la Terre.
> L'énergie solaire (themique, themodynamique ou photovoltaïque) est bien inépuisable à l'échelle des temps humains, de même que les énergies qui en dérivent :
> L'énergie éolienne ~ comprenez, l'énergie tirée du vent ~, résultat de zones de températures et de pressions variables ;
> L'énergie hydraulique, résultat du cycle de l'eau ;
> La biomasse, produite par photosynthèse ;
> Une partie des énergies marines.
> La géodynamique inteme de la Terre, quant à elle, nous procure une chaleur produite en inteme et qui peut être récupérée en surface (énergie géothemique, ou géothemie).
1.3 - La conversion photovolta.i.que
1.3.1 -Principe de la conversion Photoélectrique
Le rayonnement solaire est constitué de photons dont la longueu d'onde s'étend de l'ultraviolet (0.2 Hm) à l'inffarouge lointain (2,5 tLm). On utïlise la notion AM pour Air Mass afin de caractériser le spectre solaire en teme d'énergie émise [1, 2]. L'énergie totale transportée par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de l'ordre de
1350W/m2 (AMO) dans l'espace hors atmosphère terrestre . Lorsque le rayomement solaire traverse l'atmosphère, il subit une atténuation et une modification de son spectre, à la suite de phénomènes d'absorption et de diffiision dans les gaz, l'eau et les poussières. Ainsi, la couche d'ozone absorbe une partie du spectre lumineux provenant du soleil, et en particulier une partie des ultraviolets dangereux pour la santé. Le rayonnement solaire direct reçu au niveau du sol (à 90° d'inclinaison) atteint 1000 W/m2 du fait de l'absorption dans l'atmosphère (AMl). Cette valeu change en fonction de l.inclinaison des rayons lumineux par rapport au
1 1
I
1 1
I
1 1
I
1 1 1
I I I I I I I
1 1
Chapltre l : In.roductlon aux énergies renouvelables sol. Plus l'angle de pénétration 0 est faible, plus l'épaisseu atmosphérique que les rayons auront à traverser sera grande, d'où une perie d'énergie conséquente. Par exemple, l'énergie directe transportée par le rayonnement solaire atteignant le sol avec un angle de 48° avoi§ine les 833 W/m2 (AM| .5).
Pou connaître le rayonnement global reçu au sol, il faut ajouter à ce demier le rayomement diflbs. Le rayomement diffiis conceme tout le rayomement dont la trajectoire entre le soleil et le point d'observation n'est pas géométriquement rectiligne et qui est dispersé ou réfléchj par l'atmosphère ou bien le sol. En considérant ceci, on obtient une référence du spectre global notée AMl.5 avec une puissance de 1000W/m2, la Figure 1.1 correspondant à nos latitudes.
•ü( 1.5 --- *,,,sh®
Figure 1.1 - Normes de mesures du spectre d'énergle ]umlneuse émis par le solefl, notion de la conveDtion AM.
Le scientifique fimçais, Edmond Becquerel, fiit le premier à découvrir en 1839 l'effet photoélectrique [3]. n a trouvé que cer(ains matériaux pouvaient produire une petite quantité de courant sous l'effet de la lumière. Par la suite, Alberi Einstein à découverc en travaillant su l'effet photoélectrique, que la lumière n'avait pas qu'un caractère ondulatoire, mais que son énergie était portée par des particules, les photons. L'énergie d'un photon est donnée par la relation :
E-h*cM,
La conversion photovolta.i.que aujoud.hui largement utilisée peut être simplement définie comme la transfomation de l'énerrie des photons en énergie électrique grâce au processus d'absorption de la lumière par la matière. Lorsqu'un photon est absorbé par le matériau, il passe une partie de son énergie par collision à un électron l'amchant littéralement de la matière. Ce demier étant précédemment à un niveau d'énergie inférieur où il était dans un état stable passe alors vers un niveau d'énerde supérieu, crémt un déséquilibre électique au sein de la matière se traduisant par une paire électron-trou, de même énergie électrique.
1
I
1 1
I I I
1 1
I
1 1 1 1
I
1 1 1 1 1
I
Chapnre l : Introductlon aux énergles renouvelables
Généralement, la paire électron-trou revient rapidement à l'équilibre en transfomant son énergie électrique en énergie themique. De même, toute l'énergie des photons n'arrivant pas à se transfomer en électricité est absorbée par le matériau sous fome themique. Le matériau constituant les capteurs PV a alors sa température inteme qui augmente proportionnellement à l'énergie solaire reçue, Le tau de conversion photon-électron est faible car un certain nombre de conditions doivent être réuni pou que ce phénomène se produise. L'effet themique est donc majoritaire su la plupart des capteus détériorant d'autant plus les perfommces de ces demiers [4].
Même si le phénomène électrique est secondaire devant le phénomène themique, récupérer tout ou partie de l'énergie électrique est le premier objectif des capteuis photovoltal.ques sous fome de cellules ou de générateurs. Cela est possible grâce par exemple à des cellules solaires réalisées en associant un maiériau semi-conducteu dopé N3 à un autre semi-conducteu dopé P4, Figure 1,2, L'énergie produite par l'absorption d'un photon dans un ma¢ériau se traduit du point de vue électrique par la création d'ue paire électron-trou.
Cette réaction entraine une différence de répartition des charges créant ainsi une différence de po.entiel électrique, c'est l'effet photovolta.i.que. Le frit d'avoir associer deux types de matériaux pou créer une jonction pemet de pouvoir récupérer les charges avant que ces demières ne se soient recombinées dans lc matériau qui redevient alors neutre. IA présence de la jonction PN permet ainsi de maintenir une circulation de courant jusqu'à ses bomes. Le nombre de photons par unité de longueu d'onde est une donnée à connaîtTe pou les applications photovolta.i.ques pou estimer l'énergie totale disporible, La longueur d'onde correspondant au maximum de photons est de l'ordre de 650-670nm.
Zc.zȀ depet P
Figure 1.2 - Schéma de principe de la conversion photoélectrique,
1
I I I I
1 1
I
1 1
I I I I I I
1 1
I I I
Chapitre l : Introductlon aux énergies renouvelables
1.4 - Modélisation des générateurs PV
Le schéma électrique équivalent d'un module PV est domé à la figure (1.3), où IL représente le photo courant crée dans les photopiles par le rayonnement solaire. 11 est proportionnel à l'éclairement reçu et opposé au courant de la diode équivalente. ld représente le couram de la diode à l'obscurité. Rs est la résistance série, due principalement à la difficulté de collecter les charges à la surface photosensible. Rp est la résistance parallèle, elle est une conséquence de l'état de la surface le long de la périphérie des photopiles. RL représente la charge électrique [5,6].
Figure 1.3 -Schéma é]ectrique équivalent d'un module PV
D'après le schéma électrique de la figue (1.3), le courant de sortie d'u module PV sous éclairement est :
I -- I 1 - I d - V + fis x '
•-,,-,o[e(#)-1]-V + Jis x '
Rp Et
Où 1 0 : est le courant de saturation inverse de la diodeg V : est la tension de polarisation,
VT = (n.KB.T)/q est la potentielle themodynamique, avec:
n : facteur d'idéalité de la diode, compris entre 1 à 5 en pratique, KB: constante de BOLTZMAN (JK)
T : la température de jonction en K, q : 1a charge de l'électron.
Un module PV de caractéristiques idéales, est tel que Rs soit nulle et Rp devienne infiniment grand. D'ou le courant de sortie:
•-,,-,o[c(#)]
1
I I I I I
1 1
I I I
1 1 1
I I
1 1 1 1
I
Chapitre l : Introductlon aux énergles renouvelables
1.4.1 -]nfluences des paramètres extemes
l,es figures (1.4) et (1.5) (caractéristiques (I-V) et Œ-V) du module PV) présentent, pou un éclairement et une température donnés, trois points remarquables: le courant de court- circuit
(Icc), la tension de circuit ouvert (Vco) et la puissance optimale qui est la puissance maximale Œmax) délivrée par les modules PV, Donc pou extraire le maximum d'énergie des modules PV, il faut les faire fonctionner au point de puissance maximale.
C® .... ctèJigt.ciu® i(\/).-iooo\^//m2.GT-25°C
ïT-
\
\
`\
5 '0 15 20 Ter`sion{V)
Figure 1.4 - Caractérlstique I(V) d'un modu]e so]aire.
C`c.roc`ér.®iiciu® P(V).O-IOCIO\^//m2.T=25.C -.r. . \
/ \`\
`/' \
\,
\
\
\,
/ \
\
0 S ic. 1$ 2Ci 25 T®r,®'-(V)
Figure 1.5 - Caractéristique P(V) d'un modu]e solalre.
].4.1.1 - Courant de court-circult læ courant de court¢ircuit est :
cc=,,-,o[e,#,-1]-
10
Rs x lcc Rp
1 1
I I
1 1 1 1 1 1
I I I
1 1
I I I
1 1
I
Chapitre l : Introduction aux énergies renouvelables
Pour la plupart des modules PV (dont la résistance est faible), et sous éclairement nomal, on peut négliger le teme lo[cxp(Rs/c7.!VR) -!] devant Æ. L'expression approchée du courant de court-circuit est alors:
'cc--'t-#
Dans le cas idéal rzis nulle et jîp infinie), le courant /cc se confond avec le photo courant.
1.4.1.2 -Tension de circuit ouveit
C'est la tension pour laquelle le courant débité par le générateur PV est nul. C'est la tension maximale d'un générateur PV. De ce fait la tension en circuit ouvert s'écrira:
v"-v,ln[(,,-#):+1]
Dans le cas d'un module PV idéal, sa valeur est:
v„-vTln[:+1]
Où,#<<Ï+1
1.4.1.3 -Puissance optimale
La puissance maximale utile P op= yop./op, s'obtient en annulant la dérivée de la puissance.
(£)=(#)=ocequidonne:(#)op=-¥
onauradonc: Ï= V7.
('cc+'o+'op)
1.4.2 -Influences de l'éclairement
Les figures (1.6) et (1.7) donnent respectivement la caractéristique I-V et P-V d'un module PV en fonction de l'éclairemeni incident et à température ambiante. Nous constatons que les variations du courant de court-circuit (c'est à dire pratiquement le photo courant crée dans le module PV) est proportionnel au flux solaire incident. D'ou la forte influence de l'éclairement su le courant débité par le module PV. Cette influence se traduit par une augmentation de la puissance disponible dans les modules PV chaque fois l'éclairement augmente et à chacune des valeurs du flux lumineux conespond une puissance électrique maximale que pourrait foumir un module PV [7].
icc=iêc(%)+a.(T-r)
11
1
I
I
1 1 1 1
I I I
1 1
I I I I I I I I I
Chapttre l : Introductlon aux énergles renouvelables [:c : représente le courant de court-circuit à T= 25°C et G = lkw/m2
ari : (Arc) coefficient obtenu empiriquement.
G' ..Irradiation de référence vaut lkw/m2 7'* : Température ambiante égale à 25°C
Caracténstiq`ie l(V).T=25.C 1000W/ 2)
\
S()OW/'Tl
\\
C,00W/'ll `\\
400W/m iiiiii= \\
\\ \
.,' ''.\. ,. / '1` -J -\\
5 10 ls 20\
Tension(V)
Flgure 1.6 - Caractéristique I-V pour dlfrérentes éclairement
Caractéristiqi.e P(V).T=25°C '20
100
80
Ê6o
40 20
1000W/ 2)
/
_ow\üoow\\~ 1- dnnw\\\\\ \
0 5 10 15 20\
T®ns'O'1~)
Figure 1.7 - Caractéristique P-V pour dlfférente éclalrement
1.4.3 - Influences de la température
La température est un paramètre très important dans le comportement d'un module PV.
Nous constatons à la figure (1.8), qui représente la caractéristique I-V pou un éclairement constant et pou diverses valeus de la température, que le courmt de court circuit /cc varie peu en fonction de température, Par contre, l'augmentation de la température engendre une diminution de la tension en circuit ouvert et se traduit aussi par une diminution de la puissance maximale disponible dans les modules PV figure(I.9). D`ou l'influence de la température su le comportement du module PV [8].
12
I I I I I
1 1
I I
1 1
I
1 1
I
1 1
I
1 1
I
ChapitTe l : Introductlon aux énergles renouvelables La tension à vide d'un module PV en fonction de la température et de l'éclairement est donnée par la relation suivante:
Vco = Vc.o + ai2(T -r.) -(lcc -i;c)Æs
V* co et i* cc : représentent respectivement la tension en circuit ouvert et le coumnt de court circuit à T= 25°e et G = lkw/m2
a 2 : (V;oe) coefficient obtenu empiriquement
c cirac`éri s`iqLie 1(\/ ), E = 100Cl\^/ /m2
6 5
g4
3 2
1
C'
.'L (_'
0 5 io 15 2Ci 25 T.nsion(V)
Flgure 1.8 - Camctéristiques I-V poui. dlfférentes temi)ératures
c®rûct6r.stique P(`/). E = 1000\/\//m2
Ê
80 60 40 20 0
'0 C:
-0=0.
\\\ \
\\ \\
\\ \\\
\ \\\
/ \ \\\
0 5 10 15 20 T®nsicin(V)
Fîgure 1.9 - Caractérlstique P-V pour différentes températures 1.4.4 - Association de cellules PV
Dans les conditions standard STe (1000W/m2; 25°e ), la puissance maximale pou une cellule au silicium de 10 cm2 serait d.environ 1.25 W. La cellule photovolta.i'que élémentaire constitue donc un générateu électrique de très faible puissance insuffisant pou la plupart des applications domestiques ou industielles. Les générateurs photovoltaïques sont, de ce frit, réalisés par association, en série evou en parallèle d'un grand nombre de cellules élémentaires.
13
L
1 1
I I
1 1 1
I
1 1 1
I
1 1 1 1
I
1 1
I
Chapltre ' : Introduction aux énergies renouvelables
Ces groupements sont appelés modules. pUIS panneaux. Cette association doit êtie réalisée en respectant des critères précis, en raison des déséquilibres existant dans un réseau de photopiles en fonctiomement. En effet, bien que choisies théoriquement identiques, les nombreuses cellules qui constituent le générateur présentent des caractéristiques différentes du fait des dispersions de construction inévitables, mais aussi dlm éclairement et d'une température non unifomes sur l'ensemble du réseau [9].
Dans ui groupement de cellules connectées en parallèle, les cellules étant soumises à la même tension, les intensités s'additioment: la caractéristique résultante est obtenue par addition de courants à tension donnée (fig. 1.10).
C'.ll. .\p
Figure 1.10 -Association paraLlè]e des cel]u]es photovoltaïques.
Dans `m groupement en série, les cellules sont traversées par le même courant et la caractéristique résultanie du groupement en série est obtenue par l'addition des tensions à couram donné. Ifl plupart des modules commercialisés sont composés de 36 cellules en siliciuin cristallin, connectées en série pou des applications en 12 V (fig.1.11).
111
ctlL 1
c-ell =
c`e11..ù
:-_ ---ï Vcu lü
Figure 1.11 -Associatlon série des cellules photovoltaïques
Un module photovolta.i.que se compose de petites cellules qui produisent une très faible puissance électrique (1 à 3 W) avec une tension continue de moins d'! V. Ces cellules sont
14
1 1 1
I
1 1
I I I I
1 1
I I I
1 1
I
1 1
I
Chapltre ' , Introductlon aux énergies renouvelables
disposées en série pour fomer un module pemetiant de produire une puissance plus élevée.
Les pameaux sont finalement interconnectés entre eux, en série et/ou en parallèle, pour obtenir un champ photovolta.i.que (fig. 1.12).
+,.`t
t_
Flgure 1.12 -Association série-parallèle des cellules pliotovolta.i.ques.
L'installation des modules peut se faire sur un toit si son orientation et son inclinaison sont bonnes ou à même le sol en autant que l'endroit soit bien dégagé, aéré (10 cm d'espace sous les modules est vivement conseillé) et protégé. On les place habituellement avec la pente vers l'équateur (vers le sud dans l'hémisphère nord). L'inclinaison des panneaux n'est pas critique. On la prend en général égale à la latitude, avec une tolérance de 15°.
Sachant que la hauteur maximale du soleil varie au cours de l'année, on choisira une inclinaison supérieure ou inférieue à la latitude suivant que les besoins sont les plus importants lorsque la course du soleil est basse (éclairage, besoins importants en hiver dans l'hémisphère nord) ou haute (irrigation). Toutefois, l'inclinaison des modules devrajt rester supérieure à 10° pour assurer un auto-nettoyage lors des pluies.11 existe aussi des structures beaucoup plus complexes qui suivent le soleil dans son mouvement quotidien pour augmenter l'énergie captée, mais la présence de pièces mobiles réduit la fiabilité et entraîne des coûts supplémentaires élevés. De plus, les moteurs pemettant le suivi du soleil demandent aussi de l'énergie] d'où des coûts additionnels.
1.4.5 i Systèmes photovo]taïques
La structure générale des systèmes PV découle à la fois du caractère aléatoire de la production de la puissance électrique disponible et des propriétés particulières du générateur PV, en fonction des besoins des charges électriques qui représentent la consommation. Un problème fondamental est, naturellement, celui du choix d'un fonctionnement au fil du soleil
15
1 1 1
I
1 1 1 1
I I I I
1 1 1
I I
1 1
I
I
Chapitre l : Introduction aux énergies renouvelables
ou de l'utilisation d'un stockage de l'énergie électrique sous fome électrochimique. Dans la pratique, ce type de stockage, malgré les progrès importants réalisés, présente de nombreux inconvénients : entretien et durée de vie des batteries, gestion du stockage, mauvais rendement énergétique et surcoût. Aussi, chaque fois que l'application le pemet, privilégie-t- on le fonctionnement au fil du soleil, préférant recourir, si la continuité du service est nécessaire, à une autre forme de stockage. On stockera par exemple de l'énergie produite sous fome d'hydrogène. 11 faut ajouter, pour certaines applications et certains sites, la possibilité d'utiliser d'autres sources d'énergie électrique décentralisées et complémentaires telles les énergies éoliennes. La structure des systèmes PV (fig.2.13) traduit, de manière très générale, les différentes possibilités offertes au concepteur : couplage direct à une charge adaptée ou couplage avec adaptateur d'impédance, fonctionnement au fil du soleil ou avec stockage d'énergie électrique [ 10] .
1.5 -Suivi de la puissance maximale du générateur photovolta.i.que
La poursuite du point maximum de la puissance (MPPT) est une partie essentielle dans les systèmes photovolta.i.que. Plusieus technïques sont développées depuis 1968 dates de publicaiion de la première loi de commande de ce type adaptées à une source d'énergie renouvelable de type PV. Ces techniques se différent entre eux par leur complexité, nombre de capteurs requis. la vitesse de convergence, coût, rendement et domaine d.application. [ 11]
1.5.1 -Principe du MPPT
Par définition, une commande MPPT, associée à un étage intemédiaire d'adaptation, permet de faire fonctionner un générateur PV de façon à produire en pemanence le maximum de sa puissance. Ainsi, quels que soient les conditions météorologiques (température et l 'éclairement),1a commande du convertisseu place le système au point de fonctionnement maximum (V mpp , I mpp ). [ 12]
16
I
1 1
I
1 1 1 1 1
I
1 1 1
I I I
1 1
I I I
Chapitre ' : Introductlon aux énergles renouvelables
L'adaptation d'impédance est souvent sous fome d'un convertisseu lm -DC comme représenté su la figure
Pa"lea\l pliotovoliaïqi`e
P,1lax
Cotr`|rtl.8tllr =
DC`-DC' ps
C`lla,-8e
1
Couuiiaiide MPPT Alpha rappoii cycliq`ie
Figure 1.13 - Cliaîne de converslon d'énergle solaire compremnt une commande
mpT.
1.6 - Conclusion
Dans ce chapitre de présentation on a présenté l'impormce et le principe du fonctionnement de la conversion photovoltaïque et en respectant la globalité de du mémoire on a fàit une présentation de l.outil de la gérance d.un système photovoltal.que et la raison pour laquelle il fonction tel qu`il est, c'est l'MPPT et la raison est la pemanente variation des grandeurs d'entrées tel que la température et l'éclairement.
17
I I
1 1 1
I
I CHAPITRE 11 :
I I
1 1
I
I Électroniquedepuissanceet
1
I
1
1
I I
1 1
convertisseur
1
I I
I
1 1
I I
1 1
I I I I I I I I I I I
Chapitre ll : Électronique de pulssance et convertisseur
11. 1 - Introduction :
Dans ce chapitre nous allons introduire le coté de l'électronique de puissance qui intervient dans le traitement et la conversion de l'électricité, nous allons commencer par des définitions de base sur l'électronique de puissance, une présentation de la conversion et de la méthode d'étude des convertisseurs élec{riques, puis nous allons présenter quelque convertisseurs qui interviennent dans le traitement de l'électricité qui provient des sources renouvelables tel que le
« Hacheur Boost » et les principaux outils pour la réalisation de ces convertisseurs tel que les interrupteurs. Pour ce convertisseur dit «Hacheur Boost » nous allons présenter son fonctionnement et les paramètres qui limitent son fonctionnement, son rendement à travers la mention des points des pertes. Le choix de ce convertisseur est expliqué premièrement par son intervention très répondue et très fl.équente dans les systèmes de production des énergies renouvelables, tel que le photovolta.i.que, sa simplicité pour l'explication des phénomènes et des principes et enfin sa relation intime avec notre convertisseur onduleu boost que nous allons voir dans le troisième chapitre. Nous allons aussi préscnter des notions de base sur l'onduleur qui assure la principale tâche de notre convertisseur, nous présenterons son fonctionnement et la principale méthode utilisé pour le commander qui est la MLI, ce chapitre est très important pour simplifier l'explication de notre onduleur qui est le sujet de notre étude et aussi comme nous l'avons déjà mentionné dans l'introduction générale, il va justifier le fonctionneinent de notre onduleur. A la fin de ce chapitre nous allons parler de l'indicateur de la qualité des onduleus qui est le taux de distorsion hamonique et son influence qui justifie pourquoi sa valeur est très importante pour caractériser les onduleurs.
19
I I I I
1 1
I I I I I I
1 1 1
I
1 1
I
1 1
Chapitre '1 : Électronlque de pulssance et conver.isseur
11.2 . Electronique de puissance :
L'électronique de puissance est le domaine du génie électrique lié à l'utilisation des semi- conducteurs et des dispositifs pour convertir la puissance disponible à partir d'une source à celle requise par une charge. La charge peut être AC ou DC, monophasée ou triphasée. La source d'alimentation peui être une source de courant continu ou une source de courant altematif (monophasé ou triphasé à la fféquence du secteu de 50 ou 60 Hz), une batterie électrique, un panneau solaire, un générateur électrique ou une alimentation commerciale. Un convertisseu de puissance prend la puissance foumie par la source et la convertit à la forme requise par la charge.
Le Convertisseur de puissance peut être un convertisseur AC-DC, un convertisseur DC-DC, un inverseur DC-AC ou un convertisseur AC-AC [ 13].
11.2.1 -Généralités sur la conversion :
La conversion en électronique de puissance pemet de üansfomer une source quelconque (de tension ou de courant, continue ou altemative, monophasée ou polyphasée) en une autre source quelconque avec un minimum de pertes. Quelle que soit la méthode de conversion utilisée, le principe de fonctionnement est le même. La valeur de sortie est obtenue en connectant séquentiellement la charge au moyen d'interrupteurs sur les différentes valeurs disponibles en entrée.
11.2.2 -Les méthodes d'étude des convertisseurs de puissance :
Pour chaque convertisseur de puissance, la méthode d'étude consiste essentiellement [ 14] : - à présenter les formes d'omde caractérisant le fonctionnement, éventuellement pour divers transferts de puissance;
- à déduire les relations entre les valeurs moyennes ou efricaces des courants ei des tensions en entrée et en sortie du convertisseur;
-à envisager une commande automatique du transfert de puissance, si l'état des sources reliées entre elle le pemet;
- à prévoir les composants à utiliser selon le type de conversion et la puissance nominale souhaitée. 11 faut alors envisager les peries dans ces composants;
- à prévoir et à mettre en place les protections des composants et de l'ensemble du convertisseu.
20
1
I I
1 1
I
1 1 1
I I I I
1 1
I
1 1
I I I
Chapitre 1' : Électronlque de pulssance et convertisseur
Cela revient, pour résumer, à la méthode dite des « trois .emps » :
-le temps du composant, Cc C'est-à-dire la durée des commutations, le temps du découpage, désigné par re , qui varie de 20 Hs à 20 ms selon les convertisseurs, environ 1 000 fois plus grand que le précédent (re >>/c) ;
- le temps de réponse de I'ensemble convertisseur-système, désigné par fr, environ 1 000 fois plus grand que le précédent. On fait alors intervenir la « charge » du convertisseur, qui peut être une charge passive, ou un moteur, ou un réseau d'alimentation (/r>>re).
On se limite aux cas où l'échange de puissance s'effectue de manière optimale :
- les sources sont i)arfaites, aussi bien pour la source génératrice que pour la source réceptrice, c'est-à-dire :
• que les sources de tension imposent une tension (constante C/ pour une source continue, ou v(/) de valeur efficace constante notée r'pour une tension altemaiive sinuso.i.dale) ciuelle que soit la valeur du courant débité (noté i.m) en amplitude comme en variation en fonction du temps,
• que les sources de coiirant imposent un courant (constant J pour une source continue, ou J.(/) de valeur efficace consiante notée J pour un courant altematif sinuso.i.dal) quelle que soit la valeur de la tension (notée vm), qui lui est imposée, en amplitude, comme en variation en fonction du temps;
- les sources reliées entre elles sont de nature « contraire » : une source de tension est reliée à une source de courant, et réciproquement;
- les convertisseurs sont parfaits : les composants ne dissipent aucune puissance due aux pertes par conduction et par commutation;
- les formes d'onde obtenues sont celles conespondant à une commutation instantanée des interrupteus.
11.2.3 -Interrupteurs :
Une partie importante de tout convertisseur électronique de puissance est ses dispositifs semi-conducteurs. Les dispositifs semi-conducteurs qui sont généralement utjlisés dans le convertisseur de puissance à découpage sont des diodes, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) et IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors). Les diodes peuvent être considérées comme des interrupteurs, ils conduisent le courant quand ils sont polarisés en direct et sont éteints quand ils sont polarisés en inverse.
21
