Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université Mohammed Seddik Ben Yahia - Jijel
Faculté des Sciences et de la Technologie
Département d'Electronique
Mémoire de fin d’études pour l’obtention du Diplôme de Master en
Electronique
Option : Electronique des Systèmes Embarqués
Thème :
Présenté par : Encadré par :
M
elle: Yousra AMMOUR Dr: Chabane BOUBAKIR
M
elle: Madiha KENOUCHE
Promotion: Juin 2019
Conception et réalisation d’un régulateur de charge
par panneaux photovoltaïques
i
Nous tenons tout d’abord à remercier Dieu le tout puissant et miséricordieux, qui nous a donné la force et
la patience d’accomplir ce modeste travail. En second lieu, nous tenons à remercier notre encadreur Mr : C. BOUBAKIR, pour ses précieux conseils et son aide durant toute la période du travail.
Nos vifs remerciements vont également aux membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont porté à notre recherche en acceptant d’examiner notre travail et de
l’enrichir par leurs propositions.
Nous tenons à exprimer nos sincères remerciements au chef de département Mr : T. BENKEDIDAH et le chef d'option Mr : M. GRIMES et à tous nos professeurs qui nous ont enseigné et qui par leurs compétences nous
ont soutenu et guidé durant nos études.
Enfin, nous tenons également à remercier toutes les personnes qui ont participé de près ou de loin à la
ii
Je dédie ce travail :
À mes très chers parents, pour leurs sacrifices.
À ma chère tante “ma deuxième mère” et ses mots inspirants et encourageants tout au long de ma vie.
À la mémoire de mon grand-père, qui a été toujours dans mon esprit et dans mon cœur, que Dieu le garde
dans son paradis éternel.
À ma chère grand-mère maternelle et mes très chères tantes qui n’ont jamais cessé de m’encourager.
À mes très chères sœurs. À mes très chers frères.
À toute ma famille.
À toutes mes très chères amies.
À tous mes collègues de la promotion 2019.
MADIHA
iii
Avec tout respect et amour je dédie ce modeste travail : À mes très chers parents, c’est à vous que je dois cette réussite
et je suis fière de vous l’offrir.
À mes frères et surtout mon frère Bilal et mes sœurs Pour tout leur soutien moral et leur amour. À tout mes amies et surtout ma chère amie Bouchra
et ma chère amie Zahra.
À tout mes collègues de la promotion 2019.
Aussi bien à tous ceux qui m'ont aidé dans ce travail et au cours de mes études.
YOUSRA
iv
Sommaire
Remerciements i
Dédicaces ii
Sommaire iv
Liste des figures vii
Liste des tableaux ix
Liste des symboles x
Liste des abréviations xii
Introduction générale 1
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
I.1 Introduction 3
I.2 Energie solaire 3
I.3 Effet photovoltaïque 3
I.4 Différents éléments d’un système photovoltaïque 4
I.5 Types d’installations des systèmes photovoltaïques 4
I.5.1 Systèmes autonomes 5
I.5.2 Systèmes connecté directement au réseau 5
I.5.3 Systèmes hybride 6
I.6 Générateur photovoltaïque 7
I.6.1 Module photovoltaïque 7
I.6.1.1 Composition d’un module solaire photovoltaïque 7
I.6.1.2 Caractéristique d’un module solaire photovoltaïque 9
I.6.2 Cellule photovoltaïque 9
I.6.2.1 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque 9
I.6.2.2 Association des cellules photovoltaïques 10
I.6.2.3 Filières technologiques d'une cellule photovoltaïque 13
I.6.2.4 Modélisation d’une cellule photovoltaïque 15
I.6.2.5 Caractéristique électrique d’une cellule photovoltaïque 16
I.6.2.6 Paramètres de la cellule solaire 17
I.7 Conclusion 20
Chapitre II :Conception du régulateur de charge
II.1 Introduction 21
II.2 Schéma de base d’un régulateur de charge 21
v
II.3.1 Régulateur de charge PWM 21
II.3.2 Régulateur de charge MPPT 22
II.4 Etapes de charge d’un contrôleur de charge 22
II.4.1 Etape de charge à courant constant (Bulk) 22
II.4.2 Etape de charge à tension constante (Absorption) 23
II.4.3 Etape d'entretien (Float) 23
II.5 Convertisseurs DC/DC 24
II.6 Batteries d’accumulateurs 27
II.6.1 Processus de décharge et de charge de batterie 28
II.6.2 Principales caractéristiques des accumulateurs 29
II.6.2.1 La tension nominale 29
II.6.2.2 Tension à vide 29
II.6.2.3 Tension de fin de décharge 29
II.6.2.4 Tension de fin de charge 29
II.6.2.5 La résistance interne 29
II.6.2.6 Capacité d'une batterie d'accumulateurs 29
II.6.2.7 Le taux-C 30
II.6.2.8 Effet mémoire 30
II.6.2.9 L'énergie 30
II.6.2.10 L’état de charge (SOC) 30
II.6.2.11 Défendeur de décharge (DOD) 31
II.6.2.12 Nombre de cycle (Nb_Cycles) 31
II.6.2.13 L’état de santé (SOH) 31
II.6.3 Différents Type d’accumulateurs 31
II.6.3.1 Accumulateur au plomb Pb 31
II.6.3.2 Accumulateur Nickel Cadmium Ni-Cd 33
II.6.3.3 Accumulateur Nickel Métal Hydrures (Ni-MH) 34
II.6.3.4 Accumulateur Lithium (Li-ion) 34
II.7 Conclusion 35
Chapitre III : Dimensionnement du régulateur de charge
III.1 Introduction 36
III.2 Caractéristiques du panneau photovoltaïque choisi 36
III.3 Caractéristiques de la batterie choisie 37
III.4 Calcul et choix des composants du convertisseur Buck 37
III.4.1 Circuit de base du convertisseur Buck 37
III.4.2 Choix de la fréquence du signal de commande 38
III.4.3 Dimensionnement et choix des MOSFETs 39
III.4.4 Dimensionnement des condensateurs (𝐶𝑖𝑛 & 𝐶𝑜𝑢𝑡 ) 40
III.4.5 Dimensionnement de l’inductance 41
III.4.6 Dimensionnement et choix de la diode 42
III.4.7 Choix de capteur de tension 42
vi
III.5 Conclusion 45
Chapitre IV : Réalisation et essai du régulateur de charge
IV.1 Introduction 46
IV.2 Présentation du système de charge 46
IV.2.1 Choix du microcontrôleur et attribution des pins 46
IV.2.2 Circuit de puissance 49
IV.2.3 Rôle des autres composants du circuit de charge 50
IV.2.4 Circuit imprimé et photo de la carte principale 50
IV.3 Circuits d’alimentation 53
IV.4 Algorithme de charge PWM 54
IV.5 Description du programme 56
IV.6 Conclusion 57
Conclusion générale et perspectives 58
Annexes 59
vii
Liste des figures
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
Figure I.1 : Schéma synoptique d’un système photovoltaïque 4
Figure I.2 : Installation photovoltaïque autonome 5
Figure I.3 : Installation photovoltaïque raccordée au réseau 6
Figure I.4 : Installation photovoltaïque hybride 6
Figure I.5 : Module photovoltaïque 7
Figure I.6 : Composition d'un module solaire photovoltaïque 8
Figure I.7 : (a) Schéma d’un panneau solaire photovoltaïque avec diodes de
protections 8
(b) Défaillance d’une des cellules du module PV et activation de la
diode by-pass et mise en évidence du courant de circulation 8
Figure I.8 : Constituants d’une cellule solaire 9
Figure I.9 : Structure (gauche) et diagramme de bande (droite) d’une cellule photovoltaïque
10
Figure I.10 : Association de ns cellules PV en série 11
Figure I.11 : Caractéristique courant tension de ns cellule en série 11
Figure I.12 : Association de np cellules en parallèle 11
Figure I.13 : Caractéristique courant tension de np cellule en parallèle 12
Figure I.14 : Association des cellules mixtes (série-parallèle) 12
Figure I.15 : Caractéristique d'un assemblage série/parallèle de 𝑛𝑠 et 𝑛𝑝 cellules 12
Figure I.16 : Cellule PV monocristallin 14
Figure I.17 : Cellule PV multi-cristallin 15
Figure I.18 : Schéma équivalent électrique de la cellule photovoltaïque réelle 15
Figure I.19 : Caractéristique I(V) et P(V) pour (G=1000 W/𝑚2 et T=25°c) d’une
Cellule photovoltaïque 16
Figure I.20 : Différentes zones de la caractéristique I(V) d’un générateur
photovoltaïque 17
Figure I.21 : Caractéristique courant - tension-puissance d’un module PV 19
Chapitre II :Conception du régulateur de charge
Figure II.1 : Schéma de base d’un régulateur de charge 21
Figure II.2 : Relation entre le courant et la tension pendant les 3 phases du cycle de
charge 23
viii
Figure II.4 : Forme d’onde du signale de commande d’interrupteur 25
Figure II.5 : Schéma équivalent pendant (0 ≤ t ≤ αT) 25
Figure II.6 : Schéma équivalent pendant (αT ≤ t ≤ T) 26
Figure II.7 : Forme du courant dans l’inductance en conduction continue 27
Figure II.8 : Cellule électrochimique (décharge/charge) 28
Figure II.9 : Constitution d’une batterie d'accumulateurs au plomb-acide (FLA) 32
Figure II.10 : Constitution d’une batterie d'accumulateurs au plomb-acide (VRLA) 33
Figure II.11 : Les batteries Nickel Cadmium (Ni-cd) 33
Figure II.12 : Les batteries Nickel Métal Hydride (Ni-MH) 34
Figure II.13 : Batterie Lithium (Li) 35
Chapitre III : Dimensionnements du régulateur de charge
Figure III.1 : Modules PV MSX120 installés sur le toit du laboratoire 36
Figure III.2 : Batterie au gel SONNENSCHEIN SOLAR 12V S12/230Ah 37
Figure III.3 : Circuit de base d’un convertisseur Buck 38
Figure III.4 : Circuit amélioré du convertisseur Buck 38
Figure III.5 : Schéma de câblage du driver IR2104 39
Figure III.6 : Schéma de pont diviseur de tension de panneaux photovoltaïques 43
Figure III.7 : Schéma de pont diviseur de tension de batterie 44
Figure III.8 : Capteur de courant à effet Hall (ACS712-30A) 44
Chapitre IV : Réalisation et essai du régulateur de charge
Figure IV.1 : Schéma synoptique du système de charge proposé 46
Figure IV.2 : Circuit électronique de la carte principale 48
Figure IV.3 : Circuit électronique de la partie puissance 50
Figure IV.4 : Circuit imprimé de la carte principale 51
Figure IV.5 : Circuit de la carte principale coté composants 51
Figure IV.6 : Photos du système complet 52
Figure IV.7 : Circuit électronique de la carte d’alimentation 53
Figure IV.8 : Circuit imprimé de la carte d’alimentation 54
Figure IV.9 : Photo de la carte d’alimentation sous test 54
Figure IV.10 : Organigramme associé à l’algorithme de charge PWM 55
ix
Liste des tableaux
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
Tableau I.1 : Les principales caractéristiques et performances des cellules
photovoltaïques les plus importantes (nc = non connu). 13
Chapitre III : Dimensionnements du régulateur de charge
Tableau III.1 : Modèle du condensateur de filtrage à la sortie du Buck. 40
Chapitre IV : Réalisation et essai du régulateur de charge
x
Liste des symboles
Symbole Signification
E Energie d’un photon
h Constante de Planck
v Fréquence de la lumière
Pm Puissance maximale
Vm Tension maximale
Im Courant maximale
Voc Tension à circuit ouvert (Open Circuit Voltage)
Isc Courant de court-circuit (Short Circuit Curent)
I Courant de la cellule PV
V Tension de la cellule PV
IPh Photo courant de la cellule dépendant de l'éclairement (A)
ID Courant traversant la diode
Ish Courant traversant la résistance shunt
I0 Courant de saturation de diode (A)
Rs Résistance série
Vth Tension thermique du semi-conducteur (V)
n Facteur de qualité de diode
Rsh Résistance shunt
k Constante de Boltzman (k=1,381×10−23J/Kelvin)
T Température effective des cellules (Kelvin)
q Charge de l’électron (q=1.602 × 10−19C)
VMPP Tension au point de la puissance maximale
IMPP Courant au point de la puissance maximale
FF Facteur de forme
Rendement de conversion
A Facteur d’idéalité de la diode
S Surface de la cellule (en m²)
E Eclairement - irradiation - (en W/m²)
ns Nombre de cellules branchées en série
np Nombre de cellules branchées en parallèle
G Eclairement
P Puissance de la cellule
K Interrupteur
xi
Ton Durée de conduction de l’interrupteur K
ve Tension d’entrée.
vL Tension traversant l’inductance
vK Tension traversant l’interrupteur
vs Tension de sortie
L(H) L’inductance
iL Courant traversant l’inductance
Imin Courant minimal
Imax Courant maximal
ΔI L’amplitude de l’ondulation du courant
ΔV L’amplitude de l’ondulation de la tension
Ib Courant fournie par la batterie
Q Capacité de batterie
C Taux
Vt Tension terminale aux bornes de la batterie
IDS Courant entre le drain et la source
RDSon Résistance du switch
VDS Tension entre le drain et la source
𝐶𝑖𝑛 Capacité d’entrée
𝐶𝑜𝑢𝑡 Capacité de sortie
IIN Courant d’entrée
FSW Fréquence de commutation
α Rapport cyclique
VRRM Tension maximale en inverse de la diode
IF Courant moyen en inverse de la diode
Vout Tension de sortie
VPV Tension de panneaux photovoltaïque
VBAT Tension de la batterie
IPV Courant de panneaux photovoltaïque
xii
Liste des Abréviations
AC Alternative Current
AGM Absorbed Glass Mat
AsGa Gallium Arsenide (Arséniure de Gallium)
CAN Convertisseur Analogique Numérique
CAO Conception Assisté par Ordinateur
CdTe Cadmium-Telluride (Tellurure de Cadmium)
CIS Copper-Indium-Selenide (Disélénium d’indium de cuivre)
DC Direct Current
DOD Depth Of Discharge (Profondeur de décharge )
EOL End Of Life
ESL L’inductance Equivalente Série
ESR Résistance Equivalente Série
EVA Ethylène-Acétate de Vinyle
FLA Flooded Lead Acid
GPV Générateur Photovoltaïque
IDE Environnement de Développement Intégré
LER Laboratoire des Energies Renouvelables
Li-ion ions de Lithium
MCC Mode de Conduction Continu
MLI (PWM) Modulation de Largeur d’Impulsion (Pulse Width Modulation)
MPPT Maximum Power Point Tracking
Nb_Cycles Nombre de cycle
nc non connu
Ni-Cd Nickel Cadmium
Ni-MH Nickel Métal Hydrures
NREL National Renewable Energy Laboratory
PPM Point de la puissance maximale
PV Photovoltaïque
PWMH High Pulse Width Modulation
PWML Low Pulse Width Modulation
SOC State Of Charge (état de charge)
SOH State Of Health (état de santé)
USB Universal Serial Bus
1
L’énergie est un besoin primordial pour l’humanité, et face à la prévision d’épuisement inévitable des ressources mondiales en énergie fossile (pétrole, gaz et charbon), la science s’est tout tournée vers l’énergie dite renouvelable. La source la plus importante d’énergie renouvelable est l’énergie issue du soleil qui permet d’avoir soit une énergie thermique soit une énergie photovoltaïque [1]. Dans le cadre de ce travail, Nous nous intéresserons seulement au deuxième type d’énergie.
L’énergie solaire photovoltaïque provient de la conversion de la lumière du soleil en électricité au sein de matériaux semi-conducteurs comme le silicium. Ces matériaux photosensibles ont la propriété de libérer leurs électrons sous l’influence d’une énergie extérieure. C’est l’effet photovoltaïque. L’énergie est apportée par les photons, (composants de la lumière) qui heurtent les électrons et les libèrent, induisant un courant électrique. L’électricité produite est disponible sous forme d’électricité directe ou stockée en batteries (énergie électrique décentralisée) ou en électricité injectée dans le réseau [2].
Les batteries solaires stockent l'énergie produite par les panneaux photovoltaïques afin d’assurer l'alimentation électrique en toutes circonstances (jour ou nuit, ciel dégagé ou couvert). Une batterie utilisée avec des panneaux solaires ou une éolienne est une batterie à décharge lente (appelée aussi batterie solaire). Ces batteries sont spécifiquement conçues pour les applications solaires ou éoliennes.
Une batterie solaire branchée directement sur un panneau solaire risque d’être endommagée si son niveau de charge dépasse les 90% [3]. C'est pour cela qu'il est vivement recommandé d'installer un régulateur solaire entre le panneau solaire photovoltaïque et la/les batteries solaires.
Le régulateur de charge solaire est l’élément central d’une installation solaire. Il surveille la production des panneaux, la consommation de la charge tout en optimisant la durée de vie des batteries. Des charges trop faibles ou trop importantes non régulées détériorent les batteries et limitent leur durée de vie [3]. La littérature propose quelques types
2
de circuits pour les régulateurs de charge à base de circuits intégrés, de microcontrôleurs PIC et récemment à base de cartes Arduino [4]. Selon l’application envisagée, les caractéristiques des panneaux solaires disponibles et les types de batteries utilisées, la conception et la réalisation d’un régulateur de charge solaire adapté reste toujours un thème de recherche.
Ce travail a été réalisé au niveau du Laboratoire des Energies Renouvelables (LER) à l’Université Mohammed Seddik Ben Yahia - Jijel. L’objectif de notre travail est la conception et la réalisation d’un régulateur de charge par panneaux photovoltaïques à base d’une carte Arduino UNO. Il est basé sur un circuit convertisseur DC/DC Buck synchrone, qui abaisse la tension supérieure du panneau solaire jusqu’à la tension de charge de la batterie. Pour décrire cela, ce mémoire sera présenté en quatre chapitres :
Le premier chapitre sera consacré à un bref rappel sur les générateurs photovoltaïques des différentes puissances (cellules et modules), suivi par les types d’installations des systèmes photovoltaïques, la modélisation des cellules PV et ses paramètres électriques.
Dans le deuxième chapitre, nous présenterons quelques types de régulateur de charge, les étapes de charge de la batterie, les types de batteries et la modélisation mathématique du convertisseur abaisseur (Buck).
Dans le troisième chapitre, nous exposerons le choix des composants (panneau, batterie) de notre système PV. En suite, nous décrirons les différentes étapes de conception et de choix (dimensionnement) des différents composants constituants le chargeur.
Le quatrième chapitre sera réservé à la présentation des différentes cartes électroniques réalisées, l’algorithme de charge implémenté et le fonctionnement du système complet.
A la fin, nous terminerons ce mémoire par une conclusion générale et des perspectives.
Chapitre I
3
I.1 Introduction
L’énergie solaire photovoltaïque (PV) est la plus jeune des énergies renouvelables, elle a l’avantage d’être non polluante, souple et fiable. Elle désigne la transformation d’une source d’énergie lumineuse en électricité et son utilisation.
Ce chapitre décrit le fonctionnement de l’énergie solaire photovoltaïque et donne les bases théoriques des différents éléments d’un système photovoltaïque et les types d’installations des systèmes photovoltaïques. On trouvera donc dans ce chapitre des définitions, des principes et des équations sur les cellules, les modules et les générateurs PV.
I.2 Énergie solaire
L'énergie solaire est l'énergie transmise par le soleil sous la forme de lumière et de chaleur, cette énergie peut être convertie en chaleur ou en électricité, on distingue deux moyens principaux de convertir l'énergie solaire :
- Conversion en électricité : énergie solaire photovoltaïque. - Conversion en chaleur : énergie solaire thermique.
➢ Energie solaire photovoltaïque : Désigne l'énergie récupérée et transformée directement en électricité à partir de la lumière du soleil par des panneaux solaires photovoltaïques. Elle résulte de la conversion directe dans un semi-conducteur (le silicium, le CdTe, l'AsGa, le CIS, ...) des photons en électrons.
➢ Énergie solaire thermique : Désigne l'énergie récupérée sous forme de chaleur à partir de la lumière du soleil. L'énergie solaire thermique peut être utilisée de façon passive ou active. On parle de solaire thermique passif pour les installations permettant de chauffer directement un bâtiment par ses surfaces vitrées (effet de serre) et/ou l'accumulation de chaleur sur des murs exposés au rayonnement solaire. Le solaire thermique actif consiste à récupérer la chaleur du soleil dans des panneaux solaires ou capteurs solaires thermiques dans lesquels circule un fluide caloporteur. Ce fluide chauffé dans les panneaux solaires peut stocker sa chaleur dans un ballon à accumulation, qui alimente ensuite un circuit de chauffage.
I.3 Effet photovoltaïque
L'effet photovoltaïque est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés "semi-conducteurs", ce phénomène physique se manifeste lorsque la surface d'une cellule est exposée à la lumière, un photon incident (grain de lumière) interagit avec les électrons du matériau, il cède son énergie (E = hv) à l'électron qui se retrouve libéré de sa bande de valence et subit donc le champ électrique intrinsèque. Sous l'effet de ce champ, l'électron migre vers la face supérieure laissant place à un trou qui migre en direction inverse. Des électrodes placées sur les faces supérieure et inférieure permettent de récolter les électrons et de leur faire réaliser un travail électrique pour rejoindre le trou de la face antérieure.
4
I.4 Différents éléments d’un système photovoltaïque
En général, un système photovoltaïque est composé d’un ensemble de modules photovoltaïques, d’un régulateur de charge, d’une ou plusieurs batteries et un onduleur (figure I.1).
Figure I.1 : Schéma synoptique d’un système photovoltaïque.
Le générateur photovoltaïque (GPV) représente la partie de production d’énergie électrique.
Le régulateur est un circuit électronique dont le rôle est de gérer les flux de courant : courant venant des panneaux en vue de charger la batterie et courant venant de la batterie vers les consommateurs. Il gère la charge et la décharge de la batterie en déconnectant le panneau quand les batteries sont chargées ou en coupant l’alimentation aux consommateurs quand la batterie est trop déchargée.
Les batteries sont utilisées pour le stockage d’énergie en vue d’une utilisation directe d’un courant continu (DC) avec une charge DC.
Dans le cas d’une utilisation en courant alternatif (AC), l’énergie DC sera convertie en énergie AC à travers un onduleur.
I.5 Types d’installations des systèmes photovoltaïques
Nous distinguons trois types de systèmes photovoltaïques : les systèmes autonomes, les systèmes connectés au réseau et les systèmes hybrides.
5
I.5.1 Systèmes autonomes
Autonomes ou « stand-alone », ces installations isolées ne sont pas connectées au réseau, mais elles doivent assurer la couverture de la demande de la charge en tout temps. La puissance à la sortie du générateur photovoltaïque n’est pas suffisante pour satisfaire la demande de charge. Aussi, l’autonomie du système est assurée par un système de stockage d’énergie. Comme le montre la figure (I.2), ces installations comprennent quatre éléments [5]:
• Un ou plusieurs modules PV. • Le système de régulation. • Une ou plusieurs batteries. • L’onduleur.
Figure I.2 : Installation photovoltaïque autonome. I.5.2 Systèmes connectés directement au réseau
Le champ photovoltaïque est couplé directement au réseau électrique à l’aide d’un convertisseur courant continu-courant alternatif (figure I.3).
Étant donné que l’énergie normalement emmagasinée dans le réseau même, les accumulateurs ne sont pas nécessaires à moins que l’on veuille une forme autonome d’énergie pendant les pannes d’électricité. L’énergie produite est consommée sur place et le surplus étant injecté dans le réseau, qui alimente les maisons de nuit ou pendent les jours sans soleil [6].
6
Figure I.3 : Installation photovoltaïque raccordée au réseau. I.5.3 Systèmes hybrides
Les systèmes hybrides reçoivent une partie de leur énergie d’une ou de plusieurs sources supplémentaires. En pratique, les modules de systèmes PV sont souvent alliés à une éolienne ou à une génératrice à combustible. De tels systèmes ont habituellement des accumulateurs de stockage d’énergie. Ils conviennent mieux lorsque la demande d’énergie est élevée (pendant l’hiver ou tout au long de l’année), lorsque l’énergie doit être fournie sur demande ou si le budget est limité (figure I.4).
7
I.6 Générateur photovoltaïque
Un générateur PV est défini par tout l'assemblage des cellules solaires, des connexions, des pièces de protection et des supports, etc. Le terme « générateur PV » peut être donc représenté par n’importe quel dispositif PV (cellules solaires, modules, panneaux,..).
I.6.1 Module photovoltaïque
Un module photovoltaïque est composé de plusieurs cellules solaires reliées les unes aux autres (figure I.5). Généralement, chaque cellule photovoltaïque ne peut pas produire qu’une tension continue nominale de 0,5V à 0,6V en circuit ouvert et une puissance nominale voisine de 1.5Wc. Pour satisfaire les besoins des charges couramment utilisées, il faut envisager un assemblage de plusieurs cellules photovoltaïques soit en série soit en parallèle. Cet assemblage forme ce qu'on appelle « module solaire » ou « module photovoltaïque ».
Le dimensionnement du système solaire détermine le nombre de modules à mettre soit en parallèle afin d'accroître le courant en conservant la tension, soit en série afin d'augmenter la tension en conservant le courant, et pour avoir une satisfaction en courant et en tension, un groupement mixte « série- parallèle » est obligatoire.
Figure I.5 : Module photovoltaïque. I.6.1.1 Composition d’un module solaire photovoltaïque
Un module solaire photovoltaïque est composé généralement de cinq éléments (figure I.6) :
• Cadre aluminium : l'aluminium est recyclable à l'infini.
• Verre trempé : est un matériau recyclable à 100 %, utiliser pour la protection du module et il représente 75% de la composition du panneau.
• Feuille de l'EVA (EVA: Ethylène-Acétate de Vinyle) transparent : pour résister aux intempéries et à l’humidité.
• Cellules photovoltaïque : c’est le composant électronique qui produit de l’électricité principalement à base de Silicium, elle est réutilisable jusqu'à 4 fois.
8
• Feuille de Tedlar blanc : pour plus de résistance mécanique des grands modules.
Figure I.6 : Composition d'un module solaire photovoltaïque.
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 en panneaux en parallèles. Pour cela, deux types de protections classiques sont utilisés dans les installations actuelles (figure I.7).
• La protection par diodes parallèles (diode by-pass) : a pour but de protéger une série de cellules dans le cas d’un déséquilibre lié à la défectuosité d’une ou plusieurs des cellules de cette série ou d’un ombrage sur certaines cellules.
• La diode série (diode anti-retour) : placée entre le module et la batterie, empêche pendant l’obscurité le retour de courant vers le module.
Figure I.7 : (a) Schéma d’un panneau solaire photovoltaïque avec diodes de protections.
(b) Défaillance d’une des cellules du module PV et activation de la diode by-pass et mise en évidence du courant de circulation.
9
I.6.1.2 Caractéristique d’un module solaire photovoltaïque
Un module PV est le plus petit ensemble de cellules solaires interconnectées, Il existe de nombreux paramètres qui permettent de caractériser un module PV, à savoir :
• Puissance maximale (𝐏𝐦): c’est la puissance électrique maximale que peut fournir le
module dans les conditions standards (T = 25°C et un éclairement de 1000 W/m²). • Tension à circuit ouvert (𝐕𝐜𝐨) : c’est la tension aux bornes du module lorsqu’il n’est
pas connecté à une charge pour un éclairement " plein soleil ".
• Courant de court-circuit (𝐈𝐜𝐜) : courant lorsque le potentiel appliqué au module est
nul. C’est le plus grand courant que le module peut fournir, pour un éclairement " plein soleil ".
• Point de fonctionnement optimum (𝐕𝐦,𝐈𝐦) : lorsque la puissance est maximale en
plein soleil,𝐏𝐦 =𝐕𝐦 .𝐈𝐦.
• La caractéristique I/V : courbe représentant le courant (I) débité par le module en fonction de la tension (V) aux bornes de celui-ci.
I.6.2 Cellule photovoltaïque
La cellule PV (photopile) est le plus petit élément d’une installation photovoltaïque. Elle est composée de matériau semi-conducteur et réaliser à partir de deux couches, une dopée P (Positif, dopée au Bore par exemple), et l’autre dopée N (Négatif, dopée au Phosphore par exemple). Créant ainsi une jonction PN, et transforme directement l’énergie lumineuse en énergie électrique. Une cellule est constituée d’un empilage de couches : Verre de protection, couche antireflet, maille conductrice (cathode), Silicium dopé N, jonction NP, Silicium dopé P et un support métallique (anode), comme illustré par la figure suivante :
Figure I.8 : Constituants d’une cellule solaire.
I.6.2.1 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui permet de transformer l’énergie solaire en énergie électrique. Cette transformation est basée sur trois mécanismes suivants :
➢ Absorption des photons (dont l’énergie est supérieure au gap) par le matériau constituant le dispositif ;
10
➢ Conversion de l’énergie du photon en énergie électrique, ce qui correspond à la création des paires électron/trou dans le matériau semi-conducteur ;
➢ Collecte des particules générées dans le dispositif ;
Le matériau constituant la cellule photovoltaïque doit donc posséder deux niveaux d’énergie et être assez conducteur pour permettre l’écoulement du courant d’où l’intérêt des semi-conducteurs pour l’industrie photovoltaïque. Afin de collecter les particules générées, un champ électrique permettant de dissocier les paires électron/trou créés est nécessaire. Pour cela on utilise le plus souvent une jonction PN. D’autres structures, comme les hétérojonctions et les Schottky peuvent également être utilisées. Le fonctionnement des cellules photovoltaïques est illustré sur la figure (I.9).
Figure I.9 : Structure (gauche) et diagramme de bande (droite) d’une cellule photovoltaïque.
Les photons incidents créent des porteurs dans les zones N et P et dans la zone décharge d’espace. Les photo-porteurs auront un comportement différent suivant la région:
➢ Dans la zone N ou P, les porteurs minoritaires qui atteignent la zone de charge d’espace, sont envoyés par le champ électrique dans la zone P (pour les trous) ou dans la zone N (pour les électrons) où ils seront majoritaires. On aura un photo-courant de diffusion.
➢ Dans la zone de charge d’espace, les paires électron/trou crées par les photons incidents sont dissociés par le champ électrique : les électrons vont aller vers la région N, les trous vers la région P. On aura un photo-courant de génération [7].
I.6.2.2 Association des cellules photovoltaïques
11
• Association en série
L’association dens cellules en série (figure I.10) permet d’augmenter la tension (la somme des
tensions) tout en conservant le courant d’une cellule.
Figure I.10 : Association de ns cellules PV en série.
La caractéristique I(V) du module solaire dans ce cas a la forme suivante (figure I.11) :
Figure I.11 : Caractéristique courant tension de ns cellule en série. • Association en parallèle
L’association denpcellules en parallèle (figure I.12) permet d’augmenter le courant (la
somme des courants) tout en conservant la tension d’une cellule.
Figure I.12 : Association de np cellules en parallèle.
12
Figure I.13 : Caractéristique courant tension de np cellule en parallèle. • Association mixte (série-parallèle)
L’association mixte (figure I.14) est basée sur le branchement des cellules en série et en parallèle, qui permet d’augmenter le courant et la tension en même temps.
Figure I.14 : Association des cellules mixtes (série-parallèle).
La caractéristique I(V) d'un module solaire peut être considérée comme le résultat d'une association d'un réseau de (ns*np) cellules en série/parallèle (figure I.15).
13
I.6.2.3 Filières technologiques d'une cellule photovoltaïque
Il existe trois générations des cellules photovoltaïques, beaucoup d'entre elles sont encore en phase d'expérimentation et de développement. Grâce au tableau (I .1) suivant, on peut découvrir quelle cellule photovoltaïque possède le meilleur rendement (selon les données publiées par le NREL, National Renewable Energy Laboratory) ou la plus faible épaisseur. Les principaux inconvénients propres à chaque technologie sont également rappelés [8].
Tableau I.1 : Les principales caractéristiques et performances des cellules photovoltaïques les
14
Dans le cadre de notre travail de fin d’études, nous nous intéresseront seulement aux cellules de première génération qui seront utilisées pour alimenter notre chargeur de batteries. Ce choix est motivé par la disponibilité seulement des panneaux de cette génération au niveau du Laboratoire d’Energie Renouvelables (LER) de notre université.
La première génération des cellules se caractérise par une seule jonction p-n à base de Silicium sous forme cristalline, constituée généralement d'un substrat en Silicium massif réalisé par la technique du tirage et découpage basée sur les wafers de Silicium, une technique simple, mais trop coûteuse en plus elle exige un silicium de grande pureté. La première cellule solaire a été réalisée en 1954 par les laboratoires Bell a donné un rendement de 6% qui a été amélioré à 10% par la suite [16]. Généralement, on distingue deux familles dans cette filière : les cellules monocristallines et les cellules multi-cristallines.
➢ Silicium monocristallin
Le silicium monocristallin (mono-Si), est un matériau composé d’un seul cristal parfaitement homogène. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme, intense et brillant. Elles sont utilisées, mais ne sont pas majoritaires sur le marché de l'énergie photovoltaïque (figure I.16).
Figure I.16 : Cellule PV monocristallin.
Les cellules monocristallines offrent le meilleur rendement (jusqu’à 20 %) et les panneaux issus de cette technologie ont une bonne durée de vie (jusqu’à 30ans). Mais, leur coût de production est élevé et les panneaux sont donc très chers à la vente. De plus, un rendement plus faible sous un faible éclairement et une baisse du rendement quand la température augmente ; par conséquent une production faible dans les régions chaudes [9]. ➢ Silicium multi-cristallin (Multi-Si ou Poly-Si)
Contrairement au silicium monocristallin, le silicium multi-cristallin (mc-Si) est composé de plusieurs domaines cristallins de tailles variées et orientés de manière aléatoire dans le matériau. Les cellules solaires multi-cristallines ont donc un aspect non uniforme et sont de couleur bleue (figure I.17).
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Figure I.17 : Cellule PV multi-cristallin.
Les avantages de cette technologie sont : un coût de production moins élevé que pour les cellules monocristallines, les panneaux ont également une bonne durée de vie (30 ans) et le rendement est correct, même par temps nuageux. Pour ce qui est de l’inconvénient principal
de ce type de cellule est un rendement inférieur à la technologie monocristalline (de 11 à 15 %) [9].
I.6.2.4 Modélisation d’une cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque peut être schématisée par deux modèles, modèle à une diode et modèle à deux diodes en parallèle avec une source de courant, et sont basés sur l'équation de diode bien connue de Shockley. Ces modèles se différencient entre eux par les procédures mathématiques et le nombre de paramètres intervenant dans le calcul de la tension et du courant de la cellule photovoltaïque. Le modèle le plus largement utilisée grâce à sa simplicité et sa précision convenables pour la plupart des applications telles que l’analyse des performances d’une installation photovoltaïque, le dimensionnement d’un système de charge photovoltaïque et l’étude des performances des algorithmes de recherche de la puissance maximale, est le modèle à une diode.
Lorsque la jonction est éclairée, elle présente la particularité de pouvoir fonctionner en générateur, en produisant un courant de court-circuit proportionnel à l'éclairement. Le circuit équivalent de ce modèle est représenté sur la figure (I.18).
16
Ce modèle permet d'obtenir le comportement statique d'une cellule photovoltaïque sous polarisation. Toutefois, pour l'étude du comportement d'un générateur photovoltaïque en conditions réelles de fonctionnement, ce modèle permet de reproduire les principaux comportements interagissant avec le reste du système [10].
A partir de la figure (I.18) et la loi de Kirchhoff on a la relation suivante : I = IPh− ID− Ish= IPh− I0[exp (V + Rs .I
nVth ) − 1] –
V + Rs .I
Rsh (I.1)
Avec :
Vth = KT/q : représente la tension thermique du semi-conducteur (V), K : La constante de Boltzman (1,381×10−23J/Kelvin),
T : La température effective des cellules (Kelvin), q : La charge d'un électron (1.602 × 10−19C), n : Le facteur de qualité de diode,
I0 :Le courant de saturation de diode (A), I: Le courant fourni par la cellule (A),
V: La tension aux bornes de cette même cellule (V), Ish : Courant traversant la résistance shunt,
ID : Courant traversant la diode,
IPh : Le photo courant de la cellule dépendant de l'éclairement (A),
Rsh: La résistance shunt caractérisant les courants de fuite de la jonction (Ω),
Rs: La résistance série représentant les diverses résistances de contacts et de connexions (Ω).
I.6.2.5. Caractéristique électrique d’une cellule photovoltaïque
Il existe de nombreux paramètres qui permettent de caractériser une cellule solaire. Ces paramètres sont appelés paramètres photovoltaïques et sont déduits de la caractéristique I(V) et P(V). La figure (I.19) présente un exemple d’une caractéristique courant-tension I(V) et puissance tension P(V) pour un éclairement et une température donnée.
Figure I.19 : Caractéristique I(V) et P(V) pour (G=1000 W/𝑚2 et T=25°c) d’une
17
La caractéristique fondamentale du générateur photovoltaïque donnée pour un éclairement et une température fixée, n’impose ni le courant ni la tension de fonctionnement, seule la courbe I= f(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 (I.20) représente les trois zones essentielles ce cette caractéristique :
Figure I.20 : Différentes zones de la caractéristique I(V) d’un générateur photovoltaïque [12].
• La zone (1) : où le courant reste constant quelle que soit la tension, pour cette région le générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant.
• La zone (3) : 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. • La zone (2) : correspondant au coude de la caractéristique, la région intermédiaire entre les deux zones précédentes, représente la région préférée pour le fonctionnement du générateur, où le point optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être déterminé.
I.6.2.6 Paramètres de la cellule photovoltaïque
Les paramètres d’une cellule photovoltaïque peuvent être déterminés à partir des courbes des caractéristiques, ou de l’équation caractéristique.
Le tracé de courbes des caractéristiques permet d’accéder à bon nombre de paramètres physiques caractéristiques du composant. Les premiers paramètres qui apparaissent sur la caractéristique I(V) d’une cellule photovoltaïque sont le courant de court circuit (Isc), la tension à circuit ouvert (Voc) et le facteur de forme (FF) du composant. Les autres paramètres
18
qui apparaissent sur la caractéristique P(V) sont la tension optimale (VMPP), le courant optimal
(IMPP) et la puissance maximale (PMPP), comme montré sur la figure (I.21). Les paramètres les plus usuels sont les suivants :
• La tension en circuit ouvert (Voc)
• Le courant de court-circuit (Isc) • Puissance maximale (Pmax)
• Le facteur de forme (FF)
• Le rendement de conversion d’énergie () • Facteur de qualité (A)
a. Tension de circuit ouvert
C’est la tension mesurée aux bornes de la cellule et pour laquelle le courant débité par la cellule solaire est nul (I=0). D’où, en annulant le courant (I) dans l’équation (I.1), on obtient :
0 =𝐼𝑝ℎ− 𝐼0 [exp( 𝑉𝑜𝑐
𝑛𝑉𝑡ℎ) −1] −
𝑉𝑜𝑐
𝑅𝑠ℎ (I.2)
Donc en négligeant le courant 𝐼𝑠ℎ = 𝑉𝑜𝑐
𝑅𝑠ℎ , la tension est donnée par la relation :
Voc = nVth log (1 + Iph
I0) (I.3)
b. Courant de court-circuit
Le courant de court-circuit (Isc) est la valeur du courant lorsque la tension aux bornes de cellule est nulle (V=0). D’ou, en annulant la tension (V) dans l’équation (I.1), on obtient :
Isc=Iph− I0 [exp( IscRs
nVth) −1] −
IscRs
Rsh (I.4)
Pour la plus part des cellules solaires (dont la résistance série est très faible), on peut négliger le terme 𝐼0[exp(𝐼𝑠𝑐𝑅𝑠
𝑛𝑉𝑡ℎ) −1] devant Iph. L’expression approchée du courant de
court-circuit est alors :
Isc≈ Iph
1+Rs
Rsh
(I.5) Dans le cas idéal 𝑅𝑠→ et 𝑅𝑠ℎ→ ∞ ou dans le cas approximatif suivant :
Rsh= 1 Gsh≫ Rs⇒ Rs Rsh≪ 1 ⇒ 1 + Rs Rsh≈ 1 (I.6)
19
Le courant de court-circuit𝐼𝑠𝑐se confonde avec le photo courant 𝐼𝑝ℎ :
Isc ≈ Iph (I.7)
c. Puissance maximale
C’est la puissance fournie au circuit extérieur par un module photovoltaïque sous éclairement et dépend de la résistance de charge (résistance externe placée aux bornes du module). Cette puissance est maximale notée Pmax(ou PMPP) pour un point de fonctionnement Pmax(IMPP,VMPP) appelé le Point de Puissance Maximum (PPM ou MPP en anglais) qui est désigné dans la figure (I.21).
Figure I.21 : Caractéristique courant - tension-puissance d’un module PV. d. Facteur de forme :
Est un paramètre important est souvent utilisé 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 Pmax et la puissance formée par le produit (Isc× Voc) , Il est défini par la relation suivante :
FF = 𝐏𝐦𝐚𝐱
𝐈𝐬𝐜∗𝐕𝐨𝐜 (I.8)
20
e. Rondement d’un générateur photovoltaïque
Il est définit comme le rapport entre la puissance maximale produite par la cellule et la puissance du rayonnement solaire qui arrive sur la cellule.
Si S est la surface de la cellule (en m²) et E est l’éclairement - irradiation - (en W/m²) le rendement énergétique s’écrit :
= 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝑆 × 𝐸 () Ou d’après (I.8) : 𝑃𝑚𝑎𝑥 = FF × 𝐼𝑠𝑐× 𝑉𝑜𝑐 (I.10) = FF ×𝐼𝑠𝑐×𝑉𝑜𝑐 𝑆× 𝐸 ()
Ce rendement peut être amélioré en augmentant le facteur de forme, le courant de court-circuit et la tension à 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.
f. Facteur de qualité (n) :
Le facteur d’idéalité ou de qualité dépend de la tension de polarisation, il nous renseigne sur l’origine des courants circulant dans la jonction. Il prend la valeur (1) s’il s’agit d’un mécanisme de diffusion. Pour le mécanisme de recombinaison, il prend la valeur (2). Lorsque les deux courants sont comparables, le facteur (n) a une valeur comprise entre 1 et 2. S’il prend d’autres valeurs, cela signifie que d’autres mécanismes interviennent pour le transport du courant [13].
I.7 Conclusion
Les cellules solaires et modules photovoltaïques sont donc des composants de conversion d’énergie qui produisent de l’électricité lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Pour la mise en œuvre pratique d’une application dans ce domaine, les notions présentées dans ce chapitre sont à prendre en compte. De plus, cette théorie est très utile pour la compréhension des prochains chapitres.
Chapitre II
21
II.1 Introduction
Les panneaux solaires ne sont que des convertisseurs d’énergie et non des réservoirs d’énergie, ils transforment l’énergie mais ne la stockent pas. Si l’application demande de l’énergie en dehors des périodes de production, c’est-à-dire dans l’obscurité, il faudra nécessairement récupérer cette énergie dans un stockage (batterie, accumulateur) et elle sera employée pour fournir de l’électricité dans l’obscurité et également lorsque le courant demandé est supérieur au courant fourni par les panneaux (démarrage d’un moteur par exemple). L’utilisation des batteries est très importante dans une installation PV autonome. Étant donné que les panneaux solaires ont encore l’efficacité de conversion relativement faible, le coût de l’ensemble du système peut être réduit en utilisant un régulateur de charge solaire qui peut extraire la puissance maximale possible du panneau. Nous allons aborder dans ce chapitre les différents éléments qui constituent un régulateur de charge photovoltaïque, les stratégies de charge et les étapes de charge d’une batterie solaire. Comme le régulateur est un convertisseur DC/DC, une étude détaillée sur un convertisseur Buck sera également présentée. Enfin nous exposeront les types de batteries solaires, ses principes de fonctionnement et ses principales caractéristiques.
II.2 Schéma de base d’un régulateur de charge
Le régulateur de charge (contrôleur de charge) est associé à un générateur photovoltaïque GPV et une batterie (figure II.1), il a pour rôle de contrôler la tension et le courant venant des panneaux solaires vers la batterie, donc il assure la protection des batteries contre les surcharges et les décharges profondes, et l’optimisation du transfert d’énergie du champ PV a l’utilisation. Sa fonction est primordiale car elle a un impact direct sur la duré de vie de la batterie.
Figure II.1 : Schéma de base d’un régulateur de charge.
II.3 Types de régulateur de charge
Les deux types de contrôleurs de charge les plus couramment utilisés dans les systèmes d’énergie solaire actuels sont basés sur la modulation de largeur d’impulsion (MLI ou Pulse Width Modulation : PWM) et la poursuite du point de puissance maximale (MPPT).
II.3.1 Régulateur de charge PWM
Le contrôleur de charge (PWM) est le moyen le plus efficace pour obtenir une charge de batterie à tension constante en ajustant le rapport cyclique (α) des commutateurs
22
(MOSFET). Dans le contrôleur de charge PWM, le courant du panneau solaire diminue en fonction de l’état de la batterie et des besoins de recharge. Lorsque la tension de la batterie atteint le point de consigne de régulation, l’algorithme PWM réduit lentement le courant de charge pour éviter le réchauffement et le dégazage de la batterie; cependant la charge continue à transférer le maximum d'énergie à la batterie dans les délais les plus brefs. La tension délivrée par le générateur PV sera abaissée par le contrôleur PWM à une valeur proche de celle de la batterie [14].
Le contrôleur PWM est un commutateur qui connecte le panneau solaire à la batterie. Lorsque l'interrupteur est fermé, le panneau et la batterie seront presque à la même tension. En supposant qu'une batterie est déchargée, la tension de charge initiale sera d'environ 13V et, en supposant une perte de tension de 0,5 V sur le câblage plus le contrôleur, le panneau sera à = 13,5V. La tension augmentera lentement avec l’état de charge de la batterie. Lorsque la tension d'absorption est atteinte, le contrôleur PWM commence à déconnecter et à reconnecter le panneau afin d'éviter toute surcharge[14].
II.3.2 Régulateur de charge MPPT
Actuellement, le régulateur de charge solaire le plus utilisé est celui basé sur l’algorithme MPPT. Il est plus développé, plus cher et présente de nombreux avantages par rapport au contrôleur de charge PWM. Il a une efficacité de 30 à 40% à basse température. Le contrôleur MPPT est basé sur un circuit convertisseur buck synchrone. Il diminue la tension du panneau solaire à la tension de charge de la batterie. Il ajustera sa tension d'entrée pour obtenir le maximum de puissance des panneaux solaires, puis convertir cette énergie pour répondre aux différentes exigences de tension de la batterie et de la charge. Généralement, le contrôleur MPPT est plus efficace que celui basé sur le PWM dans un climat avec des températures basses, tandis que les deux contrôleurs ont presque les mêmes performances dans un climat semi-tropical ou tropical. Le contrôleur de charge MPPT est un convertisseur DC/DC qui convertit l’énergie à haute tension en énergie à basse tension. Par conséquent, si la tension de sortie est inférieure à la tension d'entrée, le courant de sortie sera supérieur au courant d'entrée, de sorte que le produit P = VI reste constant. Ainsi, pour tirer le maximum d’énergie des panneaux solaires, le contrôleur de charge doit pouvoir sélectionner le point de courant-tension idéal dans la courbe courant-tension : le point de puissance maximale. MPPT fait exactement cela. La tension d'entrée du contrôleur PWM est en principe égale à la tension de la batterie connectée. Ainsi, les panneaux solaires ne sont pas utilisés à leur propre point de puissance maximale, dans la plupart des cas [14].
II.4 Etapes de charge d’un contrôleur de charge
La majorité des contrôleurs de charge passent par trois cycles ou étapes de charge (figure II.2), à savoir :
II.4.1 Etape de charge à courant constant (Bulk)
Dans cette étape, la batterie accepte tout le courant fourni par le panneau solaire. La valeur de ce courant sera égale au courant de court-circuit (ISC) du générateur solaire. Au
23
cours de la phase bulk du cycle de charge, la tension augmente progressivement jusqu'au niveau de bulk (généralement de 14,4 à 14,6 Volts) pendant que les batteries consomment le courant maximum. Lorsque le niveau de tension bulk est atteint, la phase d'absorption commence [14].
II.4.2 Etape de charge à tension constante (Absorption)
Pendant cette phase, la tension est maintenue constante (égale au niveau de la tension Bulk) pendant une durée spécifiée (généralement une heure), tandis que le courant diminue progressivement à mesure que les batteries se chargent. Ceci permet d'éviter une surchauffe et un dégazage excessif de la batterie. Le courant diminue à des niveaux sécuritaires pendant que la batterie se charge complètement [14].
II.4.3 Etape d'entretien (Float)
Quand une batterie est complètement chargée, le fait de descendre au niveau de float vas donner un taux de charge de maintenance très faible tout en réduisant le chauffage et le dégagement de gaz d'une batterie complètement chargée. Lorsque la batterie est complètement rechargée, il ne peut plus y avoir de réactions chimiques et tout le courant de charge est transformé en chaleur et en gazage. Le flotteur a pour but de protéger la batterie contre les surcharges à long terme. Après la phase d'absorption, la tension est abaissée jusqu'au niveau de maintenance (float level). Ceci est généralement (entre 13,4 et 13,7 Volts) pour une batterie 12V et les batteries consomment un petit courant d’entretien jusqu’au cycle suivant[14].
Figure II.2 : Relation entre le courant et la tension pendant les 3 phases du cycle de charge
24
II.5 Convertisseurs DC/DC
Un convertisseur statique continu/continu (DC/DC) ou hacheur est un circuit électrique qui nous permet d’obtenir à partir d’une source de tension continue fixe, une source de tension continue de valeur moyenne réglable de plus forte ou faible valeur (élévateur ou abaisseur de tension). Il est essentiellement constitué d’interrupteurs de puissance (transistors, diodes, …) et de composants passifs (inductances, condensateurs...).Ce dernier agit en hachant le courant du circuit de charge, par la commutation ouverture-fermeture, périodique d’un interrupteur unidirectionnel [15].
Il y a plusieurs topologies des convertisseurs DC/DC. Ils sont classés par catégorie selon que la topologie est 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. Les topologies non isolées ne comportent pas de transformateurs d’isolement. Elles sont généralement utilisées dans l’entrainement des moteurs à courant continu. Ces topologies sont encore classées en trois catégories :
• Abaisseurs (Buck). • Élévateurs (Boost).
• Abaisseurs-Élévateurs (Buck-Boost).
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.
La topologie Boost est employée pour augmenter la tension. Les systèmes de production de l’énergie emploient un convertisseur Boost pour augmenter la tension de sortie au niveau du service avant l'étage de l’onduleur.
Puis, il y a des topologies capables d’augmenter et de diminuer la tension telles que le Buck-Boost [16].
Nous avons choisis un hacheur série (convertisseur Buck) pour notre étude. Le convertisseur de type Buck est un convertisseur statique abaisseur qui permet de transformer une tension continue fixe à une tension plus faible réglable par l’utilisateur, il est constitué d'un interrupteur bicommandable de puissance, d'une diode, d'une inductance et d'un condensateur [17], comme montre dans la figure suivante :
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Le principe fonctionnement du convertisseur est basé sur la fermeture et l'ouverture de l’interrupteur. L’interrupteur K se ferme et s’ouvre pendant une période T. Le signal de commande d’interrupteur est représenté dans la figure (II.4).
Figure II.4 : Forme d’onde du signale de commande d’interrupteur.
Le rapport cyclique α : est défini comme étant le rapport entre la durée de conduction de l’interrupteur K et la période de commutation T :
α = Ton
T (II.1)
Cette interrupteur est fermé pendant l’intervalle (0, αT) : la diode est bloquée, la source primaire fournit de l’énergie à l’inductance L et à la résistance R. Et est ouvert de αT à T : la diode est passante et assure la continuité du courant et la décharge de L.
➢ Première séquence (0 ≤ t ≤ αT)
A t=0 on ferme l’interrupteur K, la diode D est bloquée. Le schéma équivalent du circuit est le suivant :
Figure II.5 : Schéma équivalent pendant (0 ≤ t ≤ αT).
Dans cette phase, la variation du courant dans l’inductance est donne par l’équation suivante :
ve(t) = vL(t) + vK(t) + vs(t) (II.2)
Dans le cas d’un interrupteur idéal on a :
vK(t) =0 ⇒ ve(t)= vL(t) +vs(t) (II.3)
⇒ vL(t) = L diL(t)
26
A partir de la solution de l’équation du premier ordre, nous obtenons : iL(t) = Ve−Vs
L t + ILmin (II.5)
Courant minimal : iL(0) = ILmin
Pour t = α.T :
iL(α.T) =Ve−Vs
L (α. T) + ILmin= ILmax (II.6)
Détermination de l’ondulation de courant :
L’ondulation de courant crête à crête ΔILon peut-être déterminée à partir de l’équation (II.6) par l’expression suivante :
ΔILon = ILmax− ILmin=Ve−Vs
L (α. T) (II.7)
➢ Deuxième séquence (αT ≤ t ≤ T)
A l’instant t= αT en ouvre l’interrupteur K et la diode devient conductrice. Le schéma équivalent du circuit est le suivant :
Figure II.6 : Schéma équivalent pendant (αT ≤ t ≤ T)
Dans cette phase, la variation du courant dans l’inductance est donnée par l’équation suivante:
vL(t) + vD(t) + vs(t) = 0 (II.8)
Dans le cas d’un interrupteur idéal on a : vD(t) = 0 vL(t) = − L diL(t)
dt = vs(t) (II.9)
A partir de la solution de l’équation du premier ordre, nous obtenons : iL(t)= −Vs L (t–αT) +A (II.10) Pour t= αT : iL(αT) = iLmax =A Donc : iL(t) = −Vs L (t – αT) +ILmax (II.11) A t = T : IL(T) = −Vs
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Détermination de l’ondulation de courant :
L’ondulation de courant crête à crête ΔILoff peut-être déterminée à partir de l’équation (II.12) par l’expression suivante :
ΔILoff= ILmax− ILmin = Vs
L (1 − α)T (II.13)
Si on considère que le convertisseur est en régime permanent, l’énergie stockée dans chaque composant est la même au début et à la fin de chaque cycle de commutation. Par conséquent, le courant IL traversant l’inductance sera le même au début et à la fin de chaque cycle de commutation. Ce qui peut s’écrire de la façon suivante :
ΔILon + ΔILoff = 0 (II.14)
Soit :
ΔILon + ΔILoff = Ve−Vs
L (α. T) +
Vs
L (1 − α)T = 0 (II.15)
Après simplifications, on déduit :
VS = α Ve (II.16)
A partir des équations (II.5) et (II.10) on peut tracer la forme d’onde du courant dans l’inductance en conduction continue donnée dans la figure (II.7).
Figure II.7 : Forme d’onde du courant dans l’inductance en conduction continue. II.6 Batteries d’accumulateurs
L'accumulateur est un dispositif physique qui transforme l'énergie chimique stockée en une énergie électrique par le biais d'une réaction chimique appelée oxydoréduction. Dans ce type de réaction, les électrons se déplacent d'un matériau à un autre à travers un circuit électrique simple. Une batterie d’accumulateurs peut être composée d'une ou plusieurs éléments appelés cellule électrochimique. Une cellule électrochimique est l'élément de base de la batterie d'accumulateurs. Elle est constituée de : deux électrodes (une cathode et une anode), un électrolyte et un séparateur.
La cathode, appelée aussi l'électrode (ou plaque) positive, est le siège de la réaction de réduction (équation II.14). Qui consomme des électrons. Elle est constituée d'un corps oxydant, qui a la possibilité d'attirer des électrons.
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L'anode, appelée aussi l'électrode (ou plaque) négative, est le lieu de la réaction d'oxydation (équation II.15). Elle est constituée d'un corps réducteur qui a la possibilité de céder des électrons.
Réducteur → Oxydant + ne− (II.18)
L'électrolyte est le milieu ionique conducteur dans lequel la cathode et l'anode baignent. La réaction entre la solution et les deux électrodes est à l'origine du déplacement des électrons et des ions dans le milieu ionique. Le déplacement de la charge électrique dans l'électrolyte est assuré par les ions. Les ions négatifs se déplacent en sens inverse du courant, et les ions positifs circulent dans le sens du courant.
Le séparateur est un isolant qui permet de séparer les deux électrodes pour éviter un court-circuit et le risque de surchauffe, tout en laissant le passage des ions positifs et négatifs dans le milieu ionique.
La réaction d'oxydoréduction se divise en deux parties : une oxydation et une réduction. La combinaison d'un corps chimique avec un ou plusieurs atomes d'oxygène est appelée oxydation. Donc, l'oxydation est le gain d'oxygène. Par contre la réaction de réduction est la perte d'oxygène. En général dans une réaction oxydoréduction, le réducteur est l'élément qui perd un ou plusieurs électrons. L'oxydant est l'élément qui gagne un ou plusieurs électrons [18].
II.6.1 Processus de décharge et de charge de batterie
Quand l'accumulateur est complètement chargé, l'anode possède un surplus d'électrons et la cathode un manque d'électrons. Le déplacement des électrons à travers une charge, connectée entre les deux électrodes, va créer ainsi le courant comme le montre la figure (II.8.a). Lorsque les deux électrodes auront le même nombre d'électrons, l'accumulateur ne débitera plus de courant, ce qui indique la fin de la décharge [18].
La charge est le processus inverse de la décharge. L'accumulateur est chargé par un courant constant, ce qui va causer le déplacement des électrons de l'anode (borne positive dans ce cas) vers la cathode (borne négative). Le processus est arrêté lorsque l'anode atteindra un excès d'électrons et la cathode un manque d'électrons. La figure (II.7.b) illustre le processus de charge d'une cellule électrochimique [18].
a b
