convertisseur photovoltaïque

Convertisseurs photovoltaïques par Ludovic PROTIN Professeur des Universités Directeur du Laboratoire d’électronique de puissance et d’informatique industrielle (LEPII), Université du Havre Ancien directeur du Laboratoire d’énergies renouvelables de l’ENSUT de Dakar et

Stéphan ASTIER Maître de conférences Laboratoire d’électrotechnique d’électrotechnique et d’électronique industrielle (LEEI) (ENSEEIHT), Institut national polytechnique de Toulouse

1. Cell Cellul ule e pho photo tovo volt ltaï aïqu que e .................................... ........................................................ ....................................... ................... 1.1 Potent Potentiel iel ssola olaire.... ire....... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 1.1.1 Rayonnement solaire solaire dans l’espace .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 1.1.2 Rayonnement solaire solaire au sol sol ............... ................. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 1.2 Cellul Cellulee photo photovol voltaï taïque que idéa idéale le .................... ...................... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 1.2.1 Conversion photon-électron ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 1.2.2 Matériaux photovoltaïques ..... ........ ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 1.2.3 Courant de conversion....... ..... ........ ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 1.3 Cellul Cellulee réel réelle le à joncti jonction on PN PN ............ ............... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 1.3.1 Jonction PN.................. PN................ ..... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 1.3.2 Polarisation de la jonction PN ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 1.3.3 Jonction PN sous sous éclairement... éclairement ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 1.3.4 Caractéristique idéale. idéale. Schéma équivalent .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 1.3.5 Caractéristique réelle. Rendements ............ .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 1.3.6 Technologie de fabrication fabrication........................... ............................. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..

D 3 360 - 3 — 3 — 3 — 4 — 5 — 5 — 6 — 6 — 7 — 7 — 7 — 8 — 8 — 8 — 10

2. Géné Généra rate teur ur phot photov ovol olta taïq ïque ue...... ........... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ....... ... 2.1 Constitutio Constitution n des des généra générateur teurss photovo photovoltaï ltaïques ques... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 2.1.1 Association de cellules photovoltaïques photovoltaïques en série ; déséquilibres et protections ...................................... .......................................................... ........................ .... 2.1.2 Association de cellules photovoltaïques photovoltaïques en parallèle parallèle ..................... ..................... 2.1.3 Caractéristique électrique électrique courant/tension courant/tension du générateur photovoltaïque...................... photovoltaïque.......................................... ..................................... ................. 2.1.4 Influence de l’éclairement l’éclairement et de la température .............................. .............................. 2.2 Modélisati Modélisation on et simulati simulation on du fonctionn fonctionnemen ementt des générat générateurs eurs photovoltaïques................................................ photovoltaïques............................ ....................................... ....................................... ........................ .... 2.2.1 Modèles pour la simulation mathématique mathématique ..................................... ..................................... 2.2.2 Simulateurs expérimentaux expérimentaux de puissance .. .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.3 Mise en œuvre œuvre d’un d’un générate générateur ur photovolta photovoltaïque. ïque. .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.3.1 Analyse de la caractéristique caractéristique électrique statique du générateur photovoltaïque...................... photovoltaïque.......................................... ..................................... ................. 2.3.2 Fonctionnement optimal optimal du générateur générateur ...................................... ........................................... ..... 2.3.3 Adaptation d’impédance entre générateur générateur et charge. Poursuite du point optimal ..................................... ......................................................... ........................... .......

— —

10 10

— —

10 11

— —

11 12

— — — —

12 13 13 13

— —

14 15

—

15

3. Syst Systèm èmes es photo photovo volt ltaï aïqu ques es ....... .......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 3.1 Structure Structure générale générale d’un système système photov photovoltaï oltaïque que .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 3.2 Couplage Couplage direct direct à une charge charge à courant courant continu continu adapté adaptéee .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 3.2.1 Accumulateurs électrochimiques.......................... électrochimiques............................... ..... .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 3.2.2 Électrolyseurs.............................. Électrolyseurs................................................. ................................. .............. .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 3.2.3 Charges centrifuges...................... centrifuges...................... ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 3.3 Adaptatio Adaptation n à l’alimentatio l’alimentation n d’une charge charge quelconque........ quelconque............. .......... .......... .......... ..... 3.3.1 Adaptateur continu/continu ....................................... .......................................................... ........................ ..... 3.3.2 Adaptateur continu/alternatif..................... continu/alternatif. ....................................... ....................................... ...................... 3.3.3 Couplage du convertisseur au générateur générateur photovoltaïque ............ 3.3.4 Commande de l’adaptation d’impédance ........................... ........................... ............. 3.4 Adaptatio Adaptation n de la struct structure ure du génér générateu ateurr ..................................... .................................................

— — — — — — — — — — — —

15 16 16 16 16 16 16 17 17 17 17 18

Pour en savoir plus .......................................... .............................................................. ....................................... ............................. ..........

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploita tion du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

Doc. D 3 360

D 3 360 − 1

CONVERTISSEURS PHOTOVOLTAÏQUES _____________________________________________________________________________________________________

ormis les énergies nucléaire et géothermique, le soleil est à l’origine de la quasi-totalité des sources d’énergies utilisées par l’humanité pour ses besoins alimentaires, domestiques et industriels : biomasse, vent, hydraulique, combustibles fossiles. Le Soleil fournit ainsi chaque jour à la Terre, par son rayonnement, l’équivalent de plusieurs milliers de fois la consommation énergétique totale de l’humanité pour ses activités d’aujourd’hui. À titre d’exemple, pour donner un ordre de grandeur des énergies mises en jeu, une toiture de 100 m2 située dans le sud de la France (durée moyenne d’ensoleillement 8 h/j), orientée perpendiculairement à l’inclinaison moyenne des rayons, reçoit par jour un flux énergétique d’une puissance de 70 kW, soit l’équivalent d’une énergie électrique de 560 kWh ou l’équivalent d’une énergie thermique d’environ 480 000 kcal, ce qui représente 50 L de fuel. On imagine que même un capteur dont le rendement est de 10 % peut récupérer une énergie importante, le problème principal étant le coût de 1 m 2 de capteur. L’hélioélectricité traite de la transformation directe de l’énergie solaire en énergie électrique .

Mais, malgré les espoirs initiaux suscités par les nombreux avantages poten- tiels de cette nouvelle source d’énergie électrique, celle-ci ne s’est pas imposée en dehors du domaine spatial, en raison d’obstacles techniques et surtout éco- nomiques. En effet, malgré des progrès significatifs, le coût du kilowattheure produit reste le plus souvent beaucoup plus élevé qu’avec les technologies lourdes classiques. Ainsi, en 1996 l’ensemble des installations photovoltaïques mondiales représente seulement ≈ 100 MW installés, que l’on peut comparer aux 1 300 MW d’une seule tranche de centrale nucléaire. En fait, l’énergie solaire est par nature une énergie répartie, ce qui constitue un handicap car sa densité, en moyenne de quelques kilowattheures par mètre carré est faible, mais aussi un atout que l’on peut mettre à profit dès que les distances rendent exorbitants l’installation et l’entretien d’un réseau de distribution d’énergie électrique à partir d’une unité de production centralisée. L’éner- gie solaire devient alors compétitive sur le long terme et la technologie photovoltaïque est aujourd’hui suffisamment mûre et maîtrisée pour prendre un véritable essor dans le domaine des applications de puissance sur sites isolés , car tel apparaît son créneau privilégié. Sont alors concernés les zones d’accès difficile des pays industrialisés et, bien plus encore, les pays en développement qui représentent un immense marché potentiel, car plus de deux milliards d’habi- tants du tiers-monde sont encore privés d’électricité. Dans cet article consacré aux convertisseurs photovoltaïques , nous avons donc choisi, pour les raisons évoquées précédemment, de nous intéresser aux installations photovoltaïques isolées d’un réseau classique de distribution. Son objectif est de fournir les éléments de base à considérer par le concepteur et l’utilisateur de ce type de système électrique et énergétique. Après quelques rappels sur le potentiel solaire à la surface de la terre, nous présentons les principes de l’effet photovoltaïque et de sa mise en œuvre techno- logique élémentaire dans la cellule photovoltaïque à semi-conducteur . Puis nous développons les éléments à considérer pour mettre en place un système photo- voltaïque de puissance, isolé du réseau général de distribution d’électricité.

D 3 360 − 2

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploit ation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

____________________________________________________________________________________________________ CONVERTISSEURS PHOTOVOLTAÏQUES

1. Cellule photovoltaïque Son fonctionnement est basé sur les propriétés des semiconducteurs. C’est le seul convertisseur direct pour transformer la lumière en énergie électrique. Son principe de fonctionnement repose sur l’effet photovoltaïque découvert par A. Becquerel en 1839. Une bonne compréhension des phénomènes mis en jeu lors de la conversion nécessite d’abord de rappeler quelques propriétés sur le potentiel solaire et sur la jonction PN.

1.1.1 Rayonnement solaire dans l’espace Le Soleil est une « petite étoile » de 696 000 km de rayon ( R S) et de masse 1,99 × 1030 kg. Sa température intérieure, supérieure à 10 millions de degrés, permet aux réactions nucléaires de fusion de transformer à chaque seconde environ 6 millions de tonnes de sa masse en énergie rayonnée dans l’espace. En première approximation, le Soleil rayonne globalement comme un corps noir de température T S = 5 800 K. Le flux d’énergie d Φ émis par unité de temps par une surface d S de Soleil est donné par la loi de Stéphan-Boltzmann : d Φ dS

= --------- =

σ T 4

où

σ =

5  ----- – 1 M λ = Aλ exp  ---B  λ T –

= 3,74 × 10 –10 W · m–2 · µm–1 , = 14,39 × 10 –3 m · K, λ (m) longueur d’onde. M λ est l’irradiance spectrale exprimée en W · m –2 · µm–1 avec :

avec A B

1.1 Potentiel solaire

M S

soit environ 1,4 × 106 fois de production totale d’électricité en France en 1992. Le flux d’énergie solaire est transmis sous forme de rayonnements électromagnétiques de longueur d’onde λ variable. Le spectre solaire est donné par M S (λ ). Les satellites ont permis de mesurer avec précision le spectre réel solaire hors de l’atmosphère terrestre, qui diffère légèrement du spectre théorique du corps noir à 5 800 K dont la répartition spectrale du rayonnement électromagnétique est donnée par la loi de Planck :

2 π5 k 4 15c 2 h3

-------------------- =

5, 67 × 10

–

8

W⋅m 2⋅K –

–

M S

=



∞

0

M λ d λ

La figure 1 donne le spectre du corps noir à 5 800 K (courbe a ) et le spectre réel hors atmosphère (courbe b ). Ces spectres montrent que les longueurs d’onde du rayonnement solaire sont comprises entre 0,2 µm (ultraviolet) et 4 µm (infrarouge) ; 97,5 % de l’énergie est comprise dans la zone des longueurs d’onde inférieures à 2,5 µm, notamment dans la zone du rayonnement visible comprise entre 0,4 et 0,78 µm.

4

avec M S (W · m –2 ) émittance énergétique, T (K) température absolue, –1 k (J · K ) constante de Boltzmann (k = 1,38 × 10 –23 J · K–1), c (m · s –1) vitesse de la lumière (c = 3 × 10 8 m · s –1), h (J · s) constante de Planck (h = 6,62 × 10 –34 J · s). La conservation de l’énergie totale Φ S émise par le Soleil par unité de temps s’écrit : Φ S

=

2

4 π R S M S

=

2

4 π D TS E SC

avec Φ S (W · m–2 ) flux solaire, D TS (km) distance moyenne Terre-Soleil (D TS = 149,6 × 10 6 km), E SC (W · m–2) flux d’énergie incident par unité de temps au niveau de la Terre. E SC correspond à la densité du flux d’énergie incidente reçue par unité de temps par un plan de front de terre. On l’appelle généralement l’éclairement. C’est également la constante solaire estimée à 1 353 W · m –2 jusqu’au début des années 70. Des mesures précises effectuées par les satellites ont permis de donner ses variations au cours de l’année (1 363 à 1 371 W · m –2 ). L’Organisation météorologique internationale a retenu comme constante solaire standard : E SC = 1 367 W · m –2 Avec cette valeur, on obtient : T S = 5 777 K et M S = 63,2 × 10 6 W · m –2 soit une puissance totale rayonnée par le Soleil de 3,85 × 1023 kW (ce qui correspond à environ 6 millions de tonnes de matière transformée en énergie par seconde). Le flux énergétique reçu par la Terre, de rayon R T , vaut : Φ T

=

Figure 1 – Spectres solaires [1]

π R T2 E SC ≅ 1,75 × 1014 W


D 3 360 − 3


1.1.2 Rayonnement solaire au sol 1.1.2.1 Structure de l’atmosphère Hors atmosphère, l’énergie moyenne annuelle reçue par la Terre est d’environ 5,5 kWh/m 2 et par jour. En traversant l’atmosphère, le rayonnement solaire subit une atténuation et une modification de son spectre, à la suite de phénomènes complexes d’absorption par les gaz, de diffusion par les molécules, et d’absorption et de diffusion par les poussières et les aérosols. Ainsi la couche d’ozone absorbe la majeure partie du rayonnement ultraviolet, tandis que la vapeur d’eau absorbe le rayonnement infrarouge. Le flux énergétique reçu au sol dépend ainsi de nombreux facteurs et son maximum au sol ne dépasse guère 1 000 W · m –2 avec un spectre décalé vers le rouge par rapport au spectre hors atmosphère (figure 1c ). En ramenant toutes les couches de l’atmosphère dans des conditions normales (P = 1 013 mbar et t = 0 oC), on a défini une atmosphère standard d’épaisseur verticale moyenne de 7,8 km prise pour référence unité et formée de couches planes et stratifiées composées par les divers gaz comme l’azote (couche de 6 150 m), l’oxygène (1 650 m), l’argon (74 m), le gaz carbonique (24 m)... L’eau est représentée par une couche d’épaisseur variable de quelques dizaines de mètres pour la vapeur et de quelques centimètres pour le liquide. Historique

L’hélioélectricité , qui traite de la transformation directe de l’énergie solaire en énergie électrique, est apparue en 1930 avec les cellules à oxyde cuivreux puis au sélénium, mais ce n’est qu’à partir de 1954, avec la réalisation des premières cellules photovoltaïques au silicium dans les laboratoires de la compagnie Bell Telephone, que l’on entrevoit la possibilité de fournir de l’énergie. Très rapidement utilisées pour l’alimentation des véhicules spatiaux, leur développement et de rapides progrès ont été motivés par la conquête de l’espace. Mais, pour les raisons techniques évoquées dans l’introduction, cette nouvelle source d’énergie électrique a tardé à s’imposer en dehors du domaine spatial. Cependant, au cours des années 80, la technologie photovoltaïque terrestre a progressé régulièrement par la mise en place de plusieurs centrales de quelques mégawatts, et même est devenue familière des consommateurs à travers de nombreux produits de faible puissance y faisant appel : montres, calculatrices, balises radio et météorologiques, pompes et réfrigérateurs solaires. Des événements tels que les courses de véhicules solaires offrant une image de haute technologie futuriste et écologique (comme le World Solar Challenge consistant à traverser l’Australie du nord au sud) y ont également contribué.

Dans les conditions normales et au niveau de la mer, l’expression simplifiée suivante est utilisée : m ≈ ------1-------sin A Ainsi lorsque le Soleil est au zénith, on dit que l’on a les conditions AM1 car les rayons lumineux traversent une épaisseur d’atmosphère unité (7,8 km). Avec un Soleil à 30 o sur l’horizon, on obtient les conditions AM2. Hors atmosphère, à haute altitude, on définit les conditions AM0 (figure 1). Ce nombre d’air masse et la modélisation théorique des lois de l’absorption et de la diffusion ont permis de définir des modèles d’irradiance spectrale pour diverses conditions d’atmosphère. Les courbes b , c de la figure 1 représentent les spectres réels en AM0 et en AM2 alors que la figure 2 représente les modèles d’irradiance spectrale en atmosphère peu polluée pour diverses conditions d’air masse. Il est important de comprendre les deux aspects recouverts par le concept de nombre d’air masse. D’une part, il caractérise la puissance transportée par le rayonnement solaire (1 353 W · m –2 pour AM0, 833 W · m –2 pour AM1,5) ; d’autre part, il sert à définir un spectre de référence pour calibrer les cellules étalons destinées à qualifier les performances des dispositifs photovoltaïques. Ainsi les conditions standards de qualification des cellules sont un spectre AM1,5, une puissance incidente de 1 000 W · m –2 et une température de 25 oC ; sauf indication contraire, c’est pour de telles conditions que doivent être fournies les performances et spécifications d’un dispositif photovoltaïque donné.

Le rayonnement global au sol est donc fonction de la composition et de l’épaisseur d’atmosphère traversée par les rayons lumineux au cours de la journée. Il se décompose en rayonnement direct et rayonnement diffus et ce sont ces deux rayonnements qui sont exploités par les générateurs solaires.

1.1.2.2 Nombre d’air masse Pour tenir compte de la position relative du Soleil qui modifie l’épaisseur d’atmosphère traversée, on introduit un coefficient m appelé masse atmosphérique ou nombre d’air masse défini par : m

=

Figure 2 – Modèles de spectres solaires pour une atmosphère peu polluée de type méditerranéen

p 1  z  -------------- --------------- exp – ------- 7,8  1 013 sin A

avec p (N · m–2 ) pression, A (o) élévation du Soleil sur l’horizon (90 o au zénith), z (km) altitude.

D 3 360 − 4


[2]


Signalons que, outre l’influence de l’atmosphère, le flux solaire reçu sur une surface dépend : — de l’orientation et de l’inclinaison de la surface ; — de la latitude du lieu et de son degré de pollution ; — de la période de l’année ; — de l’instant considéré dans la journée ; — de la nature des couches nuageuses. On dispose généralement des relevés météorologiques au sol, notamment du flux global recueilli sur une surface horizontale, et de la durée journalière d’insolation. À partir des données précédentes, en première approximation pour des calculs rapides d’installations, on a divisé chaque continent en zones à potentiel solaire constant caractérisées par un coefficient W cr représentant la puissance crête du générateur photovoltaïque à installer pour obtenir 1 Wh par jour. Par exemple, ce coefficient est de 1 W cr à Paris et 0,34 W cr dans le Sahara (figure 3).

1.2 Cellule photovoltaïque idéale 1.2.1 Conversion photon-électron Le rayonnement solaire est constitué de photons transportant une énergie donnée par la relation : E

h ν = h

=

c

----

λ

avec E (J) énergie, λ (m) longueur d’onde (souvent exprimée aussi en micromètres), ν (Hz) fréquence. Les physiciens du solide expriment généralement l’énergie E des photons en électronvolts (eV) et 10 années d’observations dans l’espace en conditions AM0 ont permis d’établir une relation directe entre l’énergie d’un photon exprimée en électronvolts et sa longueur d’onde exprimée en micromètres : E ( eV )

=

1,241 9

-------------------

λ ( µ m )

Le flux de photons par seconde et par centimètre carré N (λ ) de longueur d’onde λ est donné par la relation : N ( λ )

=

λ

M λ -------- d λ hc

avec N (λ )(cm–2 · s–1 · µm–1 ) flux de photons, dλ (µm) tranche de longueur d’onde (de largeur 1 µm en général (largeur spectrale normalisée)). La figure 4 donne un exemple de flux de photons pour une atmosphère peu polluée. Aux limites du spectre visible, on a : λ = 0,4 µm, E = 3,10 eV ; N varie entre 1 et 3 × 1017 photons (ultraviolet) ; λ = 0,78 µm, E = 1,59 eV ; N varie entre 3 et 5 × 1017 photons (infrarouge). La conversion de photons en électrons dans un matériau pouvant produire un courant électrique nécessite que : — les photons soient absorbés par le matériau (absorption optique) en transmettant leur énergie au matériau ; — l’énergie transmise aux électrons soit une énergie potentielle et non une énergie thermique ; — les électrons excités par les photons soient collectés avant de reprendre leur énergie initiale (relaxation), afin de fournir un courant électrique.

Figure 3 – Coefficient W cr pour la France et l’Afrique


[2]

D 3 360 − 5


— tout photon d’énergie supérieure ou égale à E g est totalement absorbé et crée une paire électron-trou ; — tout électron créé participe à la conduction (pas de recombinaison) ; — la tension de sortie de cette cellule élémentaire idéale est E g / e avec e charge de l’électron (e = 1,6 × 10–19 C).

1.2.2 Matériaux photovoltaïques

Figure 4 – Flux de photons

La structure périodique des atomes dans un solide entraîne des bandes d’énergies interdites pour l’électron et chaque matériau est caractérisé par une largeur de bande interdite (gap) exprimée en eV dont la valeur détermine la nature du matériau (conducteur, semi-conducteur, isolant). Si E v est l’énergie maximale de la première bande d’énergies autorisées (bande de valence) et E c l’énergie minimale de la seconde bande d’énergies permises (bande de conduction), la largeur de la bande interdite E g du matériau est donnée par : E g = E c – E v Sous certaines conditions, les photons dont l’énergie est supérieure à E g peuvent faire passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction laissant ainsi un trou dans la bande de valence. L’électron et le trou ainsi libérés doivent rapidement être collectés pour participer ensuite à la conduction électrique avant leur recombinaison. À partir de ces quelques éléments de la physique du solide, on peut définir les critères d’un convertisseur idéal photon-électron : — le dispositif de collecte nécessite un champ électrique important au niveau de la création des paires électron-trou, ce qui élimine les conducteurs dont la différence des niveaux de Fermi est trop faible. Il nécessite en outre des matériaux à conductivité suffisante, ce qui élimine les isolants ; — le matériau semi-conducteur dont la largeur de bande interdite est comprise entre 0,7 et 4 eV est un matériau photovoltaïque du spectre solaire. La jonction PN sous éclairement, caractérisée par une barrière de potentiel importante au niveau de la jonction et réalisée à partir de matériaux semi-conducteurs photovoltaïques, est la solution actuellement la plus répandue de convertisseur photovoltaïque. Le principe de la conversion photon-électron à 2 niveaux d’énergie est donné sur la figure 5. Pour la cellule photovoltaïque idéale, on considère que : — tout photon d’énergie inférieure à E g n’est pas absorbé et traverse le matériau sans transmettre d’énergie aux électrons ;

D 3 360 − 6

L’un des facteurs prépondérants pour le choix du matériau est la largeur de son gap E g . Il impose le nombre de photons du rayonnement solaire participant à la conversion et la tension de sortie de la cellule élémentaire. À partir des courbes de flux de photons, Loferski a donné dès 1956 le rendement théorique maximal en fonction de la largeur de bande interdite des matériaux (figure 6). Cette courbe, tracée en conditions AM0 et sans recombinaison, se déplace vers les valeurs plus faibles du gap au niveau du sol (conditions AM1,5), par suite de l’absorption de l’infrarouge, et montre un maximum de rendement vers le silicium. Certaines cellules photovoltaïques pourront être réalisées à partir de matériaux adaptés à un spectre donné (cellules pour l’espace, pour la lumière solaire au sol, pour la lumière artificielle...). Parmi les autres facteurs de choix figurent la disponibilité du matériau à l’état cristallin, la température de fonctionnement (systèmes à concentration solaire) et la facilité de créer une jonction dans ce matériau. Selon les matériaux utilisés, on réalisera des homojonctions, c’est-à-dire des jonctions PN au sein d’un même semi-conducteur (silicium ou germanium) par implantation d’impuretés de type P ou N, ou des hétérojonctions à partir de deux semi-conducteurs différents (par exemple, composés de cuivre et de cadmium). Les matériaux photovoltaïques se situent dans la quatrième colonne de la classification périodique (4 électrons sur la dernière couche) où le silicium est le plus utilisé et dans les colonnes 2, 3, 5, et sous formes de composés dits III-V et II-VI qui permettent des liaisons assurant une dernière couche électronique à 8 électrons. Les composés cités sur la figure 6 ont tous fait l’objet d’études, notamment les hétérojonctions à base de sulfures (CdS et Cu 2S) puis, plus récemment, à base d’arséniure de gallium (GaAs) pour lequel des rendements prometteurs en laboratoire ont été obtenus (> 25 %). De nouveaux composés ternaires à base de trois matériaux sont également étudiés (GaAlAs) ; des cellules sandwiches utilisant des matériaux différents sous forme de couches superposées ont également été réalisées en laboratoire. Par exemple, une première couche absorbe les photons d’énergie faible (Si pour le rouge et infrarouge), puis une seconde couche absorbe les photons d’énergie élevée (GaAs pour le bleu). Sur ce principe, des cellules tandem à 3 couches ont permis des rendements supérieurs à 30 %, mais elles restent du domaine du laboratoire vu la complexité de réalisation. Le coût de fabrication des matériaux monocristallins à très faible nombre de défauts est actuellement le facteur qui freine l’utilisation de l’énergie solaire. Les matériaux amorphes dont les procédés de fabrication sont moins coûteux (dépôts en couches minces par évaporation sous vide, par pulvérisation cathodique sous vide ou par décomposition de composés gazeux du silicium) sont très prometteurs. Le silicium amorphe dont l’effet photovoltaïque a été mis en évidence dès 1976 est, de nos jours, largement employé, malgré un rendement plus faible que le silicium monocristallin.

1.2.3 Courant de conversion On peut aisément calculer le courant de conversion d’une cellule idéale à partir de la figure 4 et des hypothèses précédentes. Par exemple, un faisceau incident d’énergie centrée autour de 1,1 eV et de largeur spectrale 1 eV est composé d’un flux de 3,2 × 1017 photons par centimètre carré et par seconde dans les conditions AM0 (hors



Figure 5 – Principe de la conversion photon-électron dans un système à deux niveaux d’énergie

minoritaire en électrons) et l’autre de type N (majoritaire en électrons, minoritaire en trous). Dès la juxtaposition, des courants de diffusion de trous et d’électrons se développent autour de la jonction et créent, au voisinage immédiat de celle-ci, une barrière de potentiel qui s’oppose aux courants de diffusion des porteurs majoritaires de chaque zone. Lorsque l’équilibre est atteint, le champ électrique créé par la barrière de potentiel est suffisant pour équilibrer les courants de diffusion des porteurs majoritaires et des porteurs minoritaires, par suite de la largeur très faible de la jonction (de 0,2 à quelques micromètres), d’où un courant global de diffusion nul. Les niveaux d’énergie au voisinage de la jonction sont alors donnés par la figure 7. Au niveau de la jonction, la bande d’énergie est centrée autour du niveau de Fermi E F , et il existe, autour de cette énergie, une largeur de bande interdite séparant la bande de valence et la bande de conduction. Pour créer un courant dans la jonction PN, il est nécessaire : — soit d’abaisser la barrière de potentiel en polarisant la jonction (effet utilisé pour les diodes de redressement) ; — soit d’apporter une énergie supplémentaire aux porteurs dans la bande de valence (énergie thermique, énergie lumineuse...) ; — et de collecter rapidement les charges ayant traversé la bande interdite avant leur recombinaison. Remarquons que, si la température augmente, les électrons remplissent progressivement tous les états d’énergie et peuvent, pour une température donnée, annuler la bande interdite donc l’effet jonction PN (cas du silicium à 400 oC). Cette remarque est importante pour les cellules photovoltaïques à jonction PN dont le rendement diminue avec l’élévation de la température.

1.3.2 Polarisation de la jonction PN Si l’on polarise une jonction PN, on obtient la caractéristique = f (V ) donnée sur la figure 8. Le modèle mathématique associé à cette caractéristique est donné par : Id

Id

avec Figure 6 – Rendement théorique maximal des matériaux photovoltaïques

atmosphère). Avec un rendement quantique de 1, c’est également le flux d’électrons, d’où un courant (en multipliant par la charge de l’électron) de 51,2 mA/cm 2 et par micromètre de largeur spectrale. Pour obtenir des valeurs théoriques correspondant au spectre solaire, on prend généralement des tranches spectrales de largeur 25 meV et on calcule, pour chacune de ces tranches, le courant produit.

1.3 Cellule réelle à jonction PN Nous ne rappelons pas ici le principe et les équations fondamentales de la jonction PN décrits largement par ailleurs pour les semi-conducteurs. Nous nous limitons au rappel du principe et des équations nécessaires au fonctionnement de la cellule photovoltaïque.

1.3.1 Jonction PN

=

Is

 exp -----V ------ η V T

–

1 

Is (A)

courant d’obscurité des porteurs minoritaires (saturation), V T (V) potentiel thermique (25 mV à 20 oC)  V T = kT ------- , e η coefficient dépendant du matériau, η = 1 ; Ι s ≈ 5 µA à T = 300 K pour le germanium, η = 2 ; Ι s ≈ 10 nA à T = 300 K pour le silicium aux courants faibles, η= 1 pour le silicium aux courants forts. Dans le cas des cellules photovoltaïques au silicium, nous prendrons η = 1. En polarisation directe, la barrière de potentiel est abaissée et un courant de porteurs majoritaires important peut se développer. En polarisation inverse, le courant de porteurs minoritaires est très faible et varie très peu avec la tension appliquée tant que cette tension est inférieure à la tension de claquage (diode Zener). Ce courant inverse est par contre très sensible à la température au niveau de la jonction. La tension directe V aux bornes de la jonction varie peu à partir d’un seuil dont la valeur dépend du matériau (0,1 à 0,3 V pour Ge ; 0,5 à 0,8 V pour Si). La jonction PN en fonctionnement récepteur (puissance absorbée P = V Id positive) est décrite par les quadrants I et III de la figure 8.

Elle résulte de la juxtaposition dans un même matériau semiconducteur de deux zones ; l’une de type P (majoritaire en trous,


D 3 360 − 7


Figure 7 – Diagrammes de bandes d’énergie au voisinage de la jonction

Figure 9 – Caractéristiques d’une jonction PN sous éclairement

figure 10 où le courant de saturation inverse est compté positivement. Ι cc représente le courant de court-circuit et V c0 la tension en circuit ouvert de la cellule photovoltaïque.

1.3.4 Caractéristique idéale. Schéma équivalent Dans ce nouveau repère, l’équation d’une caractéristique correspondant à un éclairement E en W · m–2 est donnée par : Ip

Figure 8 – Caractéristique d’une jonction PN polarisée

1.3.3 Jonction PN sous éclairement Si l’on soumet une jonction PN de faible épaisseur à un flux lumineux, des paires électron-trou sont créées par les photons dont l’énergie est supérieure à la largeur de la bande interdite du matériau. Il en résulte une augmentation du courant inverse de saturation proportionnelle au flux lumineux. Physiquement, cet effet se traduit de deux manières selon le quadrant de fonctionnement du dispositif : — dans le 3e quadrant, le système fonctionne en récepteur dont la résistance varie fortement avec l’éclairement, c’est la photorésistance ; — dans le 4e quadrant, le système fonctionne en générateur dont le courant de court-circuit est proportionnel à l’éclairement et dont la tension à vide est celle de la diode en polarisation directe (0,5 à 0,8 V pour Si) ; c’est la cellule photovoltaïque à jonction PN. Le réseau de caractéristiques est alors donné par la figure 9. Nous allons maintenant nous intéresser uniquement au quadrant IV pour la réalisation de générateurs photovoltaïques à partir de cellules photovoltaïques. Pour cela, nous allons représenter les caractéristiques dans un nouveau repère Ι p = f (V p ) donné par la

D 3 360 − 8

=

I cc

–

I s exp

p  e-----V  ------- – 1  kT 

où Icc représente le courant de court-circuit dû à l’éclairement E . Le schéma équivalent de la cellule photovoltaïque déduit de cette équation est donné par la figure 11 et comprend un générateur de courant qui modélise l’éclairement et une diode en parallèle qui modélise la jonction PN.

1.3.5 Caractéristique réelle. Rendements Le schéma équivalent de la cellule photovoltaïque réelle tient compte d’effets résistifs parasites dus à la fabrication et représentés sur le schéma équivalent par deux résistances : — une résistance série R s représentant les diverses résistances de contacts et de connexions ; — une résistance R sh (shunt) en parallèle sur le générateur de courant qui caractérise les divers courants de fuite dus à la diode et aux effets de bords de la jonction. L’équation caractéristique de la cellule réelle est alors donnée par : Ip

=

I cc

–

Id

V R sh

– ----------

La caractéristique réelle et le schéma équivalent de la cellule sont représentés sur la figure 12. Les valeurs respectives des divers éléments du schéma équivalent déterminent les performances de la cellule réelle.



Figure 10 – Caractéristique Ip = f (V p) d’une cellule photovoltaïque idéale

Figure 11 – Schéma équivalent de la cellule idéale

La caractéristique se divise en trois parties : — la zone (a ) où la cellule se comporte comme un générateur de courant Ic c proportionnel à l’éclairement ; — la zone (b ) où la cellule se comporte comme un générateur de tension V c0 ; — la zone (c ) où l’impédance interne du générateur varie rapidement. La cellule photovoltaïque est un générateur de puissance finie dont le maximum pour un éclairement donné est situé en M 0 de coordonnées V opt et Iopt correspondant au point de contact avec l’hyperbole d’isopuissance. La figure 13 donne le réseau de caractéristiques réelles paramétrées en éclairement. L’influence de la température sera précisée au niveau du module photovoltaïque. Le rendement de la cellule photovoltaïque dépend du matériau utilisé et des pertes. Le choix du matériau résulte d’un compromis entre la tension de sortie de la cellule liée à la largeur de la bande interdite E g (tension de sortie E g / e ) et le nombre et l’énergie des photons du rayonnement solaire. À partir des courbes caractéristiques du rayonnement solaire et du calcul du courant de la cellule idéale, on a tracé le rendement théorique η de cette cellule (figure 14) qui présente un maximum de l’ordre de 43 % pour des largeurs de bande interdite E g de 1 à 1,5 eV. Le silicium avec 1,1 eV reste encore actuellement le matériau le plus utilisé. Ce compromis tient compte des pertes dues à l’absorption incomplète des photons et à l’excès d’énergie des photons très énergétiques (ultraviolet). D’autres facteurs diminuent encore le rendement de la cellule réelle comme : — la recombinaison électron-trou (rendement de collecte) ; — la forme de la caractéristique réelle qui n’est pas rectangulaire (facteur de courbe) ; — la tension de sortie réelle inférieure à la tension E g / e (facteur de tension) ; — les résistances série et shunt ; — la réflexion à la surface du matériau ou de son encapsulage. Le rendement des cellules industrielles au silicium reste encore faible (inférieur à 15 %), mais de grands espoirs sont permis grâce à l’obtention en laboratoire de rendements supérieurs à 25 % avec des matériaux (AsGa) et des technologies différentes (multicouches).

Figure 12 – Caractéristique et schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque réelle

Figure 13 – Exemple de réseau de caractéristiques d’un générateur photovoltaïque


D 3 360 − 9


1.3.6 Technologie de fabrication La première phase consiste à obtenir, comme pour les semiconducteurs, du silicium très pur monocristallin (méthode Czochralski) ou multicristallin. Pour des problèmes de coût et de rapidité d’obtention, la technique industrielle de croissance multicristalline colonnaire à gros grains à partir d’un gradient thermique dans un creuset parallélépipédique à fond plat s’est développée. On obtient ainsi des tranches rectangulaires de silicium polycristallin de 10 × 10 cm dont la qualité est inférieure aux tranches circulaires de silicium monocristallin (rendement inférieur de 2 à 3 %), mais dont la forme rectangulaire permet une meilleure répartition en surface. La technique moderne de sciage de tranches d’épaisseur inférieure à 0,2 mm à l’aide de fils abrasifs a permis de réduire les chutes de matériau. Les diffusions d’impuretés de type N (phosphore) et de type P (bore) créent ensuite la jonction PN.

Figure 14 – Rendement théorique de la cellule idéale

Les électrodes nécessaires à la collecte du courant sont déposées par sérigraphie. L’électrode supérieure est une grille afin de laisser passer les rayons lumineux. Une couche antireflet est ensuite déposée sur l’électrode supérieure pour accroître la quantité de lumière absorbée. Le schéma d’une telle cellule est donné sur la figure 15.

2. Générateur photovoltaïque La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur électrique de très faible puissance au regard des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. En effet, une cellule élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrés délivre, au maximum, quelques watts sous une tension très faible, par principe, puisqu’il s’agit d’une tension de jonction. Les générateurs photovoltaïques sont, par conséquent, réalisés par association d’un grand nombre de cellules élémentaires. Ces cellules sont commercialisées sous la forme de modules photovoltaïques associant, généralement en série pour élever la tension, un certain nombre de cellules élémentaires de technologie et caractéristiques identiques. Suivant les besoins de l’utilisation, ces modules sont ensuite associés en réseau série-parallèle de façon à obtenir la tension et le courant désirés. Cette association doit être réalisée en respectant des critères précis, en raison des déséquilibres apparaissant dans un réseau de photopiles en fonctionnement. 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 d’un éclairement et d’une température non uniformes sur l’ensemble du réseau. La mise en place de dispositifs de protection efficaces contre les effets négatifs de ces déséquilibres sur le comportement et la fiabilité doit être prévue. Une voie de développement complémentaire à celle des modules a consisté à augmenter la surface de captage du rayonnement solaire sans augmenter celle des cellules avec les générateurs à concentration de flux solaire. Séduisant a priori par l’économie de matériau photovoltaïque ainsi obtenue, ce type de générateur s’est révélé décevant par les difficultés de mise en œuvre qu’il implique, liées à la température élevée atteinte par le matériau photovoltaïque qui entraîne une chute de rendement, la nécessité de refroidir et une baisse de fiabilité. Quelle que soit sa constitution, le générateur photovoltaïque se manifeste pour l’ingénieur comme un générateur électrique particulier dont la mise en œuvre efficace passe par une bonne connaîssance de ses propriétés et de nombreux modèles décrivant son comportement ont été développés. Dans ce paragraphe consacré au générateur photovoltaïque, nous nous proposons de développer les différents aspects concernant sa constitution, sa modélisation et sa mise en œuvre pour en effectuer une utilisation optimale.

2.1 Constitution des générateurs photovoltaïques 2.1.1 Association de cellules photovoltaïques en série ; déséquilibres et protections Figure 15 – Aspect d’une cellule

D 3 360 − 10

Dans un groupement en série, les cellules sont traversées par le même courant et la caractéristique résultante du groupement en série est obtenue par addition des tensions à courant donné.



La figure 16 montre la caractéristique résultante ( Iscc , V sc0) obtenue en associant en série (indice s) n s cellules identiques ( Icc ,V c0) : Iscc = Icc

et V sc0 = n sV c0

Considérons maintenant deux cellules connectées en série cF et cf (F = forte, f = faible) présentant des caractéristiques différentes; la caractéristique résultante de ce groupement est représentée figure 17. Les deux cellules étant parcourues par le même courant, la cellule la plus faible cf peut fonctionner en récepteur par application d’une tension négative pour certaines valeurs du courant, donc de la charge. Le cas le plus défavorable apparaît lorsque le groupement est mis en court-circuit : alors V cf = – V cF . Considérons maintenant un groupement de n s – 1 cellules de type cF en série avec cf : dans le cas le plus défavorable du générateur en court-circuit, la cellule cf subit la tension ( n s –1) V cF appliquée en inverse ; elle peut donc dissiper une puissance importante et être détruite si la contrainte thermique est trop forte ou si la tension d’avalanche est dépassée. Pour éviter cela, il suffit de disposer une diode D p connectée en parallèle, appelée également diode bypass, aux bornes d’un groupement élémentaire de cellules en série. L’amorçage spontané de cette diode parallèle, dès apparition d’une tension en inverse aux bornes de ce groupement, limite cette dernière à la valeur V d de la tension directe de conduction de la diode choisie et la puissance dissipée à V d Is . La figure 18 illustre ce principe et le nombre de cellules de ce groupement élémentaire est choisi de façon à ne pas dépasser la tension d’avalanche relative à la technologie des cellules utilisées, soit 30 à 40 pour des cellules au silicium. De nombreux modules commercialisés incluent maintenant ces diodes parallèles de protection contre les tensions inverses.

Figure 16 – Caractéristique résultante d’un groupement en série de n s cellules identiques

2.1.2 Association de cellules photovoltaïques en parallèle Les propriétés du groupement en parallèle des cellules sont duales de celles du groupement en série. Ainsi, dans un groupement de cellules connectées en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et la caractéristique résultante du groupement est obtenue par addition des courants à tension donnée. La figure 19 montre la caractéristique résultante ( Ipcc , V pc0) obtenue en associant en parallèle (indice p) n p cellules identiques (Icc , V c0 ) : Ipcc = n p Icc et V pc0 = V c0 Considérons alors deux cellules cF et cf présentant des caractéristiques différentes connectées en parallèle. Les deux cellules étant soumises à la même tension, la cellule la plus faible cf peut fonctionner en récepteur en étant parcourue par un courant inverse pour certaines valeurs de la tension, donc de la charge. Le cas le plus défavorable apparaît lorsque le groupement est en circuit ouvert : alors Icf = – IcF . Considérons maintenant un groupement de n p – 1 cellules de type cF en série avec cf. Dans le cas le plus défavorable du générateur en circuit ouvert, la cellule cf est parcourue par le courant (n p – 1) IcF en inverse sous une tension proche de V c0 ! Cette cellule faible peut donc dissiper une puissance importante et être détruite. Pour éviter cet effet, il suffit et il est indispensable de disposer une diode connectée en série qui interdit tout courant inverse dans un groupement élémentaire de cellules connectées en série, constituant une branche d’un groupement parallèle. 2.1.3 Caractéristique électrique courant/tension du générateur photovoltaïque

Le générateur photovoltaïque est constitué d’un réseau sérieparallèle de nombreux modules photovoltaïques regroupés par panneaux photovoltaïques. La caractéristique électrique globale courant/tension du générateur photovoltaïque se déduit donc théoriquement de la combinaison des caractéristiques des n s × n p cellules élémentaires supposées identiques qui le composent par

Figure 17 – Modules non protégés connectés en série : fonctionnement en récepteur d’une cellule

deux affinités de rapport n s parallèlement à l’axe des tensions et de rapport n p parallèlement à l’axe des courants, ainsi que l’illustre la figure 20, n s et n p étant respectivement les nombres totaux de cellules en série et en parallèle. En pratique, cette caractéristique combine les caractéristiques disparates de modules soumis à des éclairements et à des températures différents car non uniformes sur l’ensemble d’un générateur de plusieurs mètres carrés regroupant plusieurs panneaux, mais conserve l’allure fondamentale classique de celle d’une cellule élémentaire avec des valeurs de tension et de courant plus élevées tant que les déséquilibres inévitables restent assez faibles pour que les diodes de protection n’agissent pas. L’influence de l’éclairement et de la température sur les courants et tensions caractéristiques I c c , V c 0 reste la même que pour la cellule élémentaire. En revanche, dès que des déséquilibres importants apparaissent, l’action de certaines diodes de protection séries ou parallèles modifie notablement cette allure classique, laissant apparaître des irrégularités ou cassures typiques ainsi qu’illustré sur les figures 20 et 21. Sur cet exemple réel (figure 21), les déséquilibres sont dus à un groupe de modules devenus faibles avec le vieillissement, combiné avec un dépôt de poussière important sur un générateur installé depuis 10 ans en site sahélien.


D 3 360 − 11


Figure 20 – Caractéristiques résultantes d’un générateur associant n p cellules en parallèle et n s cellules en série (identiques ou éventuellement disparates)

Figure 18 – Modules protégés connectés en série : caractéristique résultante

Figure 19 – Caractéristique résultante d’un groupement constitué de n p cellules identiques en parallèle

2.1.4 Influence de l’éclairement et de la température La figure 22 donne l’allure générale des caractéristiques électriques d’un générateur photovoltaïque pour différents éclairements. Nous remarquons que, à température donnée : — le courant de court-circuit Icc varie proportionnellement à l’éclairement E ; — la tension à vide V c0 varie peu avec l’éclairement. Elle peut être considérée comme une constante pour une installation donnée ; — lorsque la température croît, Icc croît et V c0 décroît. Les influences de ces paramètres se traduisent donc par des variations de la caractéristique utile du générateur photovoltaïque avec les conditions d’éclairement et de température, phénomène qui doit être pris en compte lors de son utilisation.

D 3 360 − 12

Figure 21 – Caractéristiques typiques d’un générateur dans lequel certains modules faibles sont isolés par des diodes de protection en parallèle

2.2 Modélisation et simulation du fonctionnement des générateurs photovoltaïques Ainsi que nous avons pu le constater, les générateurs photovoltaïques présentent une caractéristique courant/tension très fortement non linéaire qui résulte directement du comportement des jonctions semi-conductrices qui sont à la base de la réalisation. Les études effectuées par les spécialistes des divers domaines d’application ont conduit au développement de nombreux modèles de générateurs. Outre les études par simulation purement mathématique, l’expérimentation des systèmes photovoltaïques pose en elle-même un problème particulier pour la simulation expérimentale de la source d’énergie « soleil + générateur photovoltaïque », si l’on veut s’affranchir des aléas météorologiques peu compatibles avec des



Figure 23 – Modèle et schéma équivalent d’un générateur photovoltaïque

Figure 22 – Exemple de réseau de caractéristiques d’un générateur photovoltaïque pour différents éclairements

très mauvais rendement, en raison de la puissance dissipée dans les diodes en parallèle sur la sortie, et nécessite un système de refroidissement efficace. 

études systématiques de fonctionnement et de fiabilité des systèmes utilisant cette énergie. Ce besoin peut conduire à la mise en œuvre de moyens lourds, comme c’est le cas dans les techniques spatiales (soleil artificiel), mais des dispositifs légers que nous appelons « simulateurs expérimentaux » ont également été développés.

2.2.1 Modèles pour la simulation mathématique Ces modèles sont basés sur l’équation décrivant le comportement d’une jonction semi-conductrice éclairée et sur les approximations classiques par divers types de fonctions qui peuvent être effectuées en prenant en compte l’association série-parallèle de ces jonctions et les résistances introduites par les interconnexions et les soudures. Une approche similaire basée sur le schéma équivalent d’une cellule réelle conduit au schéma équivalent d’un générateur constitué de n s × n p cellules décrit sur la figure 23.

2.2.2 Simulateurs expérimentaux de puissance Il s’agit, dans ce cas, de réaliser un dispositif reproduisant le comportement physique d’un générateur photovoltaïque utilisable pour alimenter le reste de l’installation afin de l’étudier, de la régler ou de la tester. On peut mettre en œuvre trois types de solutions. Solution basée sur le schéma équivalent du générateur photo-voltaïque 

Cette solution consiste à réaliser un dispositif de puissance reconstituant le schéma équivalent du générateur à partir d’éléments électriques de puissance de type sources, résistances, diodes. Un tel dispositif répond au besoin par une réalisation relativement simple, mais présente plusieurs inconvénients. D’une part, il introduit des comportements parasites difficiles à compenser, thermiques par exemple, liés aux éléments discrets utilisés. D’autre part et surtout, sa réalisation matérielle, même si elle peut être modulaire, manque de versatilité pour la simulation de conditions variées. En outre, un tel dispositif présente un

Solution basée sur l’amplification d’une cellule élémentaire

Cette solution consiste à amplifier la caractéristique réelle d’une cellule élémentaire mise dans les conditions voulues d’éclairement et de température au cœur d’un amplificateur linéaire de courant et de tension à gains G i et G v réglables. 

Alimentation de puissance programmable

Cette solution, la plus pratique et la plus souple compte tenu des moyens offerts par l’électronique de puissance moderne, consiste à mettre en œuvre une alimentation à caractéristique de sortie programmable. Les figures 24 et 25 en donnent deux principes de réalisation et, à titre d’exemple, la figure 26 montre l’architecture d’un simulateur de ce type basé sur une alimentation construite autour d’un hacheur dévolteur dont la commande réglant la tension de sortie est asservie au courant de sortie à travers une mémoire dans laquelle la caractéristique numérique est programmée et peut ainsi prendre une forme aussi complexe que nécessaire. Ce type de simulateur, aisé à mettre en œuvre, offre une très grande souplesse d’utilisation associée à un très bon rendement. La figure 27 montre un réseau de caractéristiques obtenues expérimentalement avec un simulateur de 6 kW fonctionnant sur ce principe.

2.3 Mise en œuvre d’un générateur photovoltaïque Les problèmes posés par la mise en œuvre du générateur photovoltaïque dans les systèmes isolés du réseau électrique industriel sont liés à la puissance finie du générateur par rapport à celle de la charge qu’il alimente et à sa nature particulière : ces notions sont précisées par la suite au paragraphe 3. Parmi les différents modèles décrits précédemment, la caractéristique électrique courant/tension peut être retenue comme base de travail pour analyser les particularités du comportement du générateur photovoltaïque en vue de sa mise en œuvre.


D 3 360 − 13


Figure 24 – Simulateur de générateur photovoltaïque : architecture à source de tension commandée Figure 27 – Exemple de réseau de caractéristiques pratiques obtenues avec un simulateur expérimental

2.3.1 Analyse de la caractéristique électrique statique du générateur photovoltaïque

Figure 25 – Simulateur de générateur photovoltaïque : architecture à source de courant commandée

Rappelons tout d’abord que le générateur photovoltaïque est de type générateur à courant continu . Cependant, sa caractéristique électrique, sur laquelle évolue le point de fonctionnement, dépend de la température et surtout de l’éclairement et, par conséquent, varie dans le temps. À température et éclairement donnés, cette caractéristique présente trois zones principales (figures 22, 23, 24, 25, 26, et 27) : — une large zone de tension à partir de la tension nulle dans laquelle ce générateur se comporte en générateur de courant ; — une zone beaucoup plus étroite de tension, proche de la tension de circuit ouvert, dans laquelle il apparaît comme un générateur de tension présentant une résistance série non négligeable ; — une zone intermédiaire dans laquelle se situe le point de fonctionnement pour lequel le générateur délivre une puissance maximale relativement à la caractéristique considérée, donc relativement à des conditions d’éclairement et de température données. Ce point de puissance maximale ( Im , V m) est défini par le point de contact entre la caractéristique et l’hyperbole d’isopuissance P m = V m Im tracée dans le plan ( Ip , V p). Remarquons qu’en tout point de la caractéristique du générateur, son impédance différentielle Z d = -dv ------ est négative et qu’au point d i di de puissance maximale défini par : dv -------- + ------- = 0 cette impédance V m Im différentielle vaut : V m Z dm = dv -------- = – -------Im di

Figure 26 – Schéma synoptique d’un simulateur de générateur photovoltaïque

D 3 360 − 14

Insistons sur le caractère relatif aux conditions de cette puissance maximale. Aucune puissance maximale absolue ou nominale ne peut être définie de façon absolue pour un générateur, en raison de la dépendance des conditions de gisement solaire offertes par le site d’installation. C’est pourquoi on définit la puissance maximale relative délivrée par un générateur photovoltaïque soumis à un éclairement solaire de 1 000 W/m 2 à une température de 300 K, appelée puissance crête P c du générateur. Cette grandeur permet de caractériser et de comparer les performances de différentes technologies, et d’évaluer la quantité de cellules installées dans une technologie donnée pour déterminer le coût d’un générateur.



2.3.2 Fonctionnement optimal du générateur Dans des conditions données, c’est au point de puissance maximale (V m , Im) que l’on exploite au mieux la puissance crête installée. C’est pourquoi ce point est souvent qualifié de point de puissance optimale, terme traduisant mieux le caractère relatif aux conditions d’éclairement et de température de la puissance fournie, l’utilisation du générateur étant le plus souvent considérée comme optimale en ce point. Ce point est alors noté ( V opt , Iopt). Le point de fonctionnement ( V p , Ip) du générateur est défini par l’intersection de sa caractéristique électrique avec celle de la charge. Seule une charge dont la caractéristique passe par le point (V opt , Iopt) permet d’en extraire la puissance optimale disponible dans les conditions considérées et l’impédance statique optimale de charge vaut alors : V V opt R opt = -----m --- = ----------Im

I opt

Étant donné que ce point dépend totalement des conditions considérées telles que l’éclairement E et la température T , il en est de même de l’impédance de charge optimale. L’utilisation optimale du générateur consiste alors à ce que sa charge conserve à chaque instant les valeurs optimales R opt lorsque les conditions varient : il y a donc lieu d’effectuer en permanence l’adaptation d’impédance nécessaire.

2.3.3 Adaptation d’impédance entre générateur et charge. Poursuite du point optimal L’allure générale de la caractéristique de charge optimale (figure 22) conduit à remarquer que la tension optimale V opt varie assez peu au cours de la journée. Aussi considère-t-on quelquefois, en première approximation, que le fonctionnement optimal du générateur correspond sensiblement à un fonctionnement à tension constante. Cette propriété est particulièrement mise à profit dans les installations qui utilisent des accumulateurs électrochimiques pour stocker l’énergie électrique, ceux-ci constituant une charge naturellement presque optimale.

Figure 28 – Adaptation d’impédance en temps réel générateur/charge

Dans le cas général, peu de charges présentent la caractéristique voulue (charge à courant alternatif ou mal adaptée) et une adaptation d’impédance doit être réalisée en insérant entre le générateur et la charge électrique un dispositif adaptateur d’impédance (figure 28 ). La commande de cet adaptateur doit alors agir en temps réel de manière que le générateur voit une impédance optimale à ses bornes. Une approche équivalente consiste à considérer que le système d’adaptation réalise la poursuite en temps réel du point de puissance maximale du générateur, d’ailleurs exprimée par la terminologie anglaise consacrée pour ce type de système : Maximum Power Point Tracking (MPPT). Le système de puissance MPPT a été introduit en 1968 pour un système spatial. Des systèmes de poursuite du point optimal nombreux et variés ont, par la suite, été proposés et développés au cours des années 70. Nous en détaillons le principe de réalisation par la suite.

3. Systèmes photovoltaïques Rappelons que l’exploitation de l’énergie solaire photovoltaïque peut revêtir deux formes principales : — la production centralisée d’énergie électrique à partir d’une centrale photovoltaïque de grande puissance très supérieure aux applications alimentées, à l’instar des centrales classiques ; — la mise à profit de la nature répartie de cette énergie par une production et une utilisation décentralisée pour chaque application. Dans le premier cas, l’utilisateur et l’ingénieur ont à leur disposition un réseau de distribution régulier, aux caractéristiques garanties, dont la puissance disponible peut généralement être considérée comme infinie devant celle de leur application. Il n’en est pas du tout de même dans le second cas où, compte tenu du coût élevé de la puissance crête du générateur installé, on s’efforce de dimensionner celle-ci le plus justement au regard des besoins de l’application, en prenant en compte les problèmes particuliers posés par une disponibilité soumise aux aléas météorologiques. Il résulte de ce caractère source de puissance finie du générateur relativement à sa charge une interaction permanente de ces deux éléments qui font du système photovoltaïque un système électrique très particulier pour l’ingénieur. Dans le cadre des présentations qui suivent, nous désignons par système photovoltaïque l’ensemble des éléments constituant une application industrielle ou domestique tirant tout ou partie de son énergie électrique d’un générateur photovoltaïque au sens du second cas décrit ci-dessus, donc isolée d’un réseau de distribution de très grande puissance. Ce générateur constitue naturellement l’élément de base à considérer par l’ingénieur qui se propose de concevoir le système photovoltaïque et d’en optimiser le fonctionnement et le dimensionnement, d’autant que celui-ci représente le plus souvent 50 % du coût total de l’installation. Dans les paragraphes précédents, nous avons décrit les phénomènes physiques essentiels qui participent à la conversion photovoltaïque et les propriétés fondamentales qui en découlent, ainsi qu’un certain nombre de modèles théoriques ou expérimentaux du générateur photovoltaïque. Leur analyse nous a permis de dégager les critères et les contraintes d’utilisation optimale de ce type de générateur et, en particulier, la nécessité d’une bonne adaptation d’impédance entre générateur et charge. Dans ce paragraphe, nous présentons la problématique de la conception et de la mise en œuvre des systèmes photovoltaïques terrestres, et les différentes structures des systèmes actuels qui en découlent pour différentes catégories d’applications.


D 3 360 − 15


3.1 Structure générale d’un système photovoltaïque La structure générale des systèmes photovoltaïques terrestres découle à la fois du caractère aléatoire de la production de la puissance électrique disponible et des propriétés particulières du générateur photovoltaïque, en fonction des besoins des différentes applications. Un problème fondamental est, naturellement, celui du choix d’un fonctionnement au fil du soleil ou de l’utilisation d’un stockage de l’énergie électrique sous forme 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 permet, 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’eau ou du froid dans les applications de pompage ou de réfrigération. Il faut ajouter, pour certaines applications et certains sites, la possibilité d’utiliser d’autres sources d’énergie électrique décentralisée et complémentaires telles les énergies éoliennes ou issues du biogaz. La structure des systèmes photovoltaïques terrestres (figure 29) 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.

3.2 Couplage direct à une charge à courant continu adaptée L’analyse d’un réseau de caractéristiques photovoltaïques permet de définir (cf. figure 22) une zone optimale de fonctionnement qui se caractérise par une tension à peu près constante lorsque les conditions extérieures varient. Quelques charges typiques à courant continu peuvent satisfaire ce critère : accumulateurs électrochimiques, électrolyseurs, charges centrifuges entraînées par un moteur électrique à courant continu. En dehors du cas particulier de l’utilisation d’accumulateurs, il faut remarquer que le choix d’un couplage direct à la charge implique un fonctionnement au fil du soleil, à puissance essentiellement variable au cours de la journée. Ce couplage implique donc l’acceptation d’une adaptation forcément non parfaite sur toute la plage de fonctionnement.

3.2.1 Accumulateurs électrochimiques Les accumulateurs électrochimiques présentent, en première approximation, une caractéristique naturellement bien adaptée au couplage direct, en raison de la relative constance de leur tension.

3.2.2 Électrolyseurs L’allure typique de la caractéristique d’une cellule d’électrolyse présentant une faible tension de seuil liée au potentiel de dissociation du corps considéré et une tension pratiquement constante dans la zone utile permet une adaptation aisée au générateur photovoltaïque par association série-parallèle des cellules d’électrolyse et des modules photovoltaïques. Cette application pourrait connaître d’importants développements, si les projets qui visent à faire de l’hydrogène l’un des vecteurs énergétiques du siècle

D 3 360 − 16

prochain, notamment pour la propulsion de véhicules thermiques ou électriques hybrides, voient le jour. On projette déjà des installations de plusieurs mégawatts pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau de mer par énergie photovoltaïque.

3.2.3 Charges centrifuges Dans un moteur à courant continu à excitation constante ou à aimants permanents, si l’on néglige la résistance de l’induit, tension et vitesse, d’une part, courant et couple, d’autre part, sont proportionnels en régime linéaire. Dès lors, la caractéristique courant/tension de la charge électrique constituée par un moteur à courant continu à excitation constante entraînant une charge mécanique présente une allure identique à celle de la caractéristique mécanique couple/vitesse de la charge. En outre, les charges centrifuges présentent en première approximation un couple de la forme Γ = K Ω 2. Il en résulte que ce type de charge, entraînée par un moteur à courant continu à excitation constante, présente des propriétés favorables à un couplage direct, car l’allure de la caractéristique de charge est similaire à celle de la charge optimale. La puissance absorbée par ce type de charge est de la forme P = K Ω 3. Il en résulte un fonctionnement à vitesse variable de la charge au cours de la journée : — dans la zone des hautes vitesses, la tension varie peu (branche parabolique) ; — le couple est faible au démarrage et en basse vitesse, ce qui permet d’exploiter convenablement les faibles courants délivrés aux bas éclairements en début et fin de journée ou par temps couvert. Ces propriétés ont été très tôt et particulièrement mises à profit pour l’alimentation directe de motopompes centrifuges à courant continu pour le pompage d’eau, notamment dans les régions sahéliennes.

3.3 Adaptation à l’alimentation d’une charge quelconque Ainsi que nous l’avons remarqué précédemment, en général peu de charges électriques présentent les caractéristiques autorisant une alimentation directe par générateur photovoltaïque : charge à courant alternatif ou caractéristique mal adaptée. Une adaptation d’impédance doit être réalisée en insérant entre le générateur et la charge électrique un dispositif adaptateur d’impédance qui peut être considéré comme un quadripôle actif dont la commande agit en temps réel, de manière que l’adaptateur d’impédance présente toujours à ses bornes d’entrée l’impédance optimale correspondant aux conditions extérieures. (cf. figure 28). On peut distinguer deux composantes caractérisant l’adaptation : — l’adaptateur, constitué par un convertisseur statique de puissance dont la structure est choisie de manière qu’il modifie efficacement la forme sous laquelle se présente l’énergie électrique (conversion continu/continu ou conversion continu/alternatif) ; — la commande en temps réel de l’adaptateur réalisant la poursuite du point optimal, dont le choix est basé sur l’analyse du fonctionnement du système global au regard des critères de performances techniques et économiques de l’application. Elle peut faire appel à des procédés automatiques et d’optimisation très divers des plus simples aux plus complexes.



Figure 29 – Structure générale d’un système photovoltaïque réel

3.3.1 Adaptateur continu/continu L’adaptation continu/continu effectuée dans le but d’alimenter une charge électrique à courant continu mal adaptée à un couplage direct repose sur l’utilisation de structures de type hacheurs non réversibles analogues à celles utilisées, par exemple, dans les alimentations à découpage : hacheur série dévolteur (buck), hacheur parallèle survolteur (boost), hacheur dévolteur-survolteur à bobine intermédiaire (buck-boost).

Aussi est-il indispensable de disposer, en sortie du générateur et en tête du convertisseur adaptateur, un filtre de puissance convenablement choisi et dimensionné en fonction de la nature du convertisseur. Notons que son dimensionnement reste délicat, car le calcul doit prendre en compte, d’une part, l’oscillation renvoyée par le convertisseur qui dépend, notamment, du point de fonctionnement de celui-ci, d’autre part, l’impédance différentielle du générateur photovoltaïque qui varie très fortement autour du point optimal et en fonction de l’éclairement.

3.3.2 Adaptateur continu/alternatif

3.3.4 Commande de l’adaptation d’impédance

Ce type d’adaptation, bien connu également, fait appel à des structures de convertisseurs continu/alternatif de type onduleur. On peut distinguer aujourd’hui trois grands types de structures utilisées en milieu industriel : — les onduleurs à source de courant ; — les onduleurs à source de tension et modulation de largeur d’impulsion ; — les onduleurs à résonance.

Dans la plupart des systèmes photovoltaïques, le coût du seul générateur représente plus de 50 % du coût total de l’installation. De ce fait, l’objectif principal du concepteur est de définir des stratégies de fonctionnement conduisant à une réalisation qui minimise la puissance photovoltaïque crête installée, pour satisfaire le service rendu requis par l’application dans les conditions de gisement solaire offertes par le site d’installation. Il s’agit donc d’optimiser le traitement global de l’énergie électrique au sein du système et, en particulier, au niveau du générateur, en plaçant celui-ci à chaque instant à son point optimal de fonctionnement grâce à un système de poursuite de type MPPT. Les cas de figure sont naturellement très variés mais deux grands types de systèmes peuvent être distingués : — le fonctionnement au fil du soleil dans lequel la ou les charges connectées au générateur consomment à chaque instant toute la puissance produite par le générateur et fonctionnent donc à puissance variable en fonction des aléas météorologiques ; — le fonctionnement avec stockage d’énergie électrique dans des batteries d’accumulateurs électrochimiques permettant une consommation régulière ou à la demande des charges. La batterie est alors insérée en général entre le générateur et les charges. Dans tous les cas, l’installation doit être capable d’absorber à chaque instant la puissance optimale disponible au niveau du générateur, une partie de l’énergie étant éventuellement stockée en présence de batterie.

3.3.3 Couplage du convertisseur au générateur photovoltaïque Les règles classiques d’association des circuits électriques impliquent que chacune des structures de convertisseur citée précédemment est apte à régler le transfert d’énergie entre des circuits électriques présentant des propriétés instantanées données sur le plan de leur impédance instantanée (source de tension ou de courant) et de leur réversibilité instantanée (réversibilité en tension ou en courant). De fait, le générateur photovoltaïque ne présente, naturellement, aucune de ces propriétés. De plus, en raison de leur fonctionnement en commutation, ces convertisseurs statiques sont générateurs de perturbations susceptibles de nuire au bon fonctionnement du générateur tant sur le plan électrique qu’énergétique. Sur le plan énergétique, les ondulations de la tension ou du courant à l’entrée de certains convertisseurs se traduisent par une oscillation du point de fonctionnement sur la caractéristique autour du point de puissance optimale qui implique une dégradation de la conversion photovoltaïque.

Dans le fonctionnement avec stockage , les fonctionnements du générateur et des charges sont découplés par la présence de la batterie. Il y a donc lieu d’optimiser la conversion photovoltaïque par une bonne adaptation générateur/batterie. Soulignons cependant que toute l’énergie qui transite par la batterie est affectée par le rendement de celle-ci. 


D 3 360 − 17


Avec une batterie, trois configurations du système sont utilisables : série, parallèle ou triangulaire. Le système triangulaire offre un meilleur rendement de transit direct de l’énergie, mais nécessite trois convertisseurs.

3.4 Adaptation de la structure du générateur

Dans un fonctionnement au fil du soleil , la puissance fournie à la charge varie au cours de la journée et en fonction des conditions météorologiques. Il s’avère en général nécessaire d’optimiser également l’utilisation de cette puissance. L’optimisation simultanée des deux conversions au niveau du générateur et au niveau de la charge nécessite donc plusieurs degrés de liberté offerts par le convertisseur-adaptateur assurant la liaison générateur-charge et sa commande. Le principe de fonctionnement d’une telle stratégie de commande à deux degrés de liberté est illustré (figure 30). En ce qui concerne l’alimentation des moteurs à courant alternatif, de nombreuses solutions ont été explorées au cours des années 80. L’évolution des technologies des convertisseurs permet de considérer aujourd’hui que le montage type dans cette application met en œuvre un onduleur de tension à modulation de largeur d’impulsions pour alimenter une machine asynchrone à rotor massif ou une machine synchrone à aimants permanents. Ce type de montage est illustré sur la figure 31.

Le problème d’adaptation ne se pose pas seulement par rapport à la charge du générateur. En effet, le point de fonctionnement optimal propre à chaque module dépend de l’éclairement et de la température de celui-ci. On peut espérer satisfaire l’uniformité de ces conditions dans un générateur plan de petite surface. En revanche dans les générateurs de grande surface, ou présentant une forme non plane, il est préférable de subdiviser le générateur en plusieurs sections présentant un éclairement et une température relativement uniformes et d’associer à chacune un adaptateur continu/continu. Ces adaptateurs, de type hacheur dévolteur ou survolteur munis d’un système de poursuite, permettent un fonctionnement découplé optimal de chaque section. Leur interconnexion conduit au générateur complet avec une meilleure exploitation de l’énergie solaire. De tels adaptateurs sont aujourd’hui disponibles dans le commerce.



Figure 30 – Principe de la stratégie de commande à deux degrés de liberté

Figure 31 – Alimentation d’un moteur triphasé à courant alternatif associé à un onduleur de tension

D 3 360 − 18


Convertisseurs photovoltaïques par Ludovic PROTIN Professeur des Universités Directeur du Laboratoire d’électronique de puissance et d’informatique industrielle (LEPII), Université du Havre Ancien directeur du laboratoire d’énergies renouvelables de l’ENSUT de Dakar et

Stéphan ASTIER Maître de conférences Laboratoire d’électrotechnique et d’électronique industrielle (LEEI) (ENSEEIHT), Institut national polytechnique de Toulouse

Bibliographie Références [1]

[2]

LAUGIER (A.) et ROGER (J.A.). – Les photopiles solaires, du matériau au dispositif, du dispositif aux applications. Éditions Technique et Documentation (1981). BAYE (A.M.). – Publication du GPS énergie solaire. CNRS Valbonne (1980).

Ouvrages généraux IMAMURA (M.S.), HELM (P.) et PALZ (W.). – Photo- voltaic system technology. A European Hand- book. Commission of the european Communities. H.S. Stephens and Associates (1992).

DURAND (H.). – La conversion photovoltaïque. Cours de DEA Université Paris-Val-de-Marne (1989). ANDRÉ (J.C.). et VANNES (A.B.). – Techniques d’utilisation des photons. Electra-Dopee 85 (1993). ORGERET (M.). – Les piles solaires : le composant et ses applications. Masson (1985). WINTER (C.J.), SIZMANN (R.L.) et VANT-HULL (L.L.). – Solar power plants. Fundamentals, Techno- logy, Systems, Economics. Springer-Verlag (1991).

Revues Systèmes solaires

Solar cells IEEE Transactions on energy conversion

Congrès On pourra consulter pour plus de détails les actes des congrès spécialisés suivants : ISES (International Solar Energy Society ) Solar World Congress European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition World Renewable Energy Congress World Conference on Photovoltaic Energy Conversion IEEE International Conference

Organismes Pour des renseignements complémentaires, on pourra consulter les organismes suivants : Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME, ex-AFME) Comité d’action pour le solaire Agences régionales de l’énergie

Constructeurs-Fournisseurs Liste non exhaustive Photowatt Sun Power GmbH Deutsche Aerospace AG On pourra aussi consulter : — annuaire professionnel des opérateurs énergies renouvelables (Édité par Systèmes solaires) (1996) — des entreprises privées et des associations et groupements ruraux de commercialisation des systèmes photovoltaïques familiaux (Édition projet sénégalo-allemand - Énergie solaire photovoltaïque) (1995).

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploita tion du droit de c opie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

Doc. D 3 360 − 1

P O U R E N S A V O I R P L U S

convertisseur photovoltaïque

Recommend Documents