Types de systèmes photovoltaïques et leurs applications

Systèmes Photovoltaïques

Types des Systèmes Photovoltaïques

Les systèmes photovoltaïques solaires sont généralement classés en fonction de leurs exigences fonctionnelles et opérationnelles et la configuration de leurs composants. Il existe trois principaux types des systèmes photovoltaïques et de stockage : les systèmes connectés au réseau, les systèmes PV hybrides et les systèmes photovoltaïques autonomes.

Ils ont tous leurs avantages et leurs inconvénients, et tout dépend de l’approvisionnement énergétique actuel du client et de ce qu’il veut tirer du système. On peut les classer en systèmes connectés au réseau et en systèmes autonomes ¹⁴.

Système autonome

On parle de configuration PV autonome lorsque le système PV n’est pas connecté au réseau. Cette configuration est adaptée aux zones rurales et isolées où l’électricité est nécessaire mais le réseau électrique national est inexistant. Ces systèmes sont généralement composés de panneaux photovoltaïques (ou matrices) reliés à des régulateurs de charge qui sont reliés à des banques de batteries et à la charge. Si la charge est en courant alternatif, alors un onduleur est ajouté au système. La Figure I.21 montre un système PV autonome typique ⁷.

Figure I.21 : Schéma d’un système PV autonome.

Système hybride

Les systèmes hybrides font généralement référence à la combinaison de deux sources d’entrée quelconques ; dans ce cas le PV solaire peut être intégré à un générateur diesel, des éoliennes, de la biomasse ou toutes autres sources d’énergie renouvelables ou non.

Le générateur PV est généralement dimensionné pour répondre à la demande de la charge de base, l’autre source d’énergie n’entrant en action que si elle est indispensable. Cet arrangement offre tous les avantages du PV en ce qui concerne les faibles coûts d’exploitation et de maintenance, mais garantit en outre un approvisionnement sécurisé ¹⁴.

Figure I.22 : Schéma d’un système PV hybride.

Système connecté au réseau

Les systèmes PV connectés au réseau sont généralement installés pour améliorer les performances du réseau électrique en réduisant les pertes de puissance et en améliorant le profil de tension de l’électricité. Cependant, ce n’est pas toujours le cas, car ces systèmes peuvent avoir plusieurs impacts négatifs sur le réseau, surtout si leur niveau de pénétration est élevé ¹⁴.

Ces systèmes sont généralement composés de panneaux solaires (ou matrice), un tableau de distribution, un onduleur intelligent, un compteur électrique et le réseau. La Figure I.23 montre les composants du système PV connecté au réseau. Les systèmes PV connectés au réseau peuvent soit fournir toute son énergie au réseau, soit répondre à la demande de la charge locale et fournir un excédent d’énergie au réseau ⁷.

Il existe deux types pour les systèmes PV connectés au réseau :

• Système connecté au réseau avec stockage
• Système connecté au réseau sans stockage.

Figure I.23 : Schéma d’un système PV connecté au réseau.

Equipements d’une Centrale Photovoltaïque

La conception d’une installation solaire photovoltaïque (PV) n’est pas complexe. Les composants de base des systèmes PV sont les panneaux PV, les onduleurs PV, les transformateurs et les systèmes de montage. Les modules PV convertissent la lumière du soleil en courant continu, qui est ensuite acheminé vers un onduleur pour générer un réseau électrique. Les modules PV convertissent la lumière du soleil en courant continu, qui est ensuite acheminé vers un onduleur pour générer un courant alternatif compatible avec le réseau. Des fils électriques, des disjoncteurs, fusibles et sectionneurs sont nécessaires pour la connexion, la sécurité et la protection de l’équipement.

Le Panneau photovoltaïque

Les panneaux solaires sont considérés comme le cœur d’un système photovoltaïque. Il est composé de plusieurs modules solaires, qui sont à leur tour composés de nombreuses cellules solaires. En raison des propriétés non linéaires de la tension et du courant des panneaux PV, un tracker de point de puissance maximale (MPPT) est nécessaire pour suivre le point de puissance maximale, qui fournit environ 10 à 25 % de puissance supplémentaire pour le même panneau. Les panneaux solaires varient en termes de matériau des cellules, de taille, type, couleur, forme, conception et méthode de fabrication ¹⁵.

Systèmes de montage

Les systèmes de montage de panneaux solaires font référence à une structure qui permet de fixer de manière permanente un panneau photovoltaïque à un poteau, à un toit ou au sol. Le choix du système de montage dépend de la taille du système installé, des contraintes de terrain et des conditions météorologiques locales. Pour les systèmes photovoltaïques au sol, les panneaux photovoltaïques sont directement fixés au sol par des semelles en béton ou des panneaux fixes sur le sol. La vitesse du vent, la charge de glace et la neige sont des éléments importants de la conception de ce système de montage ¹⁵.

Le Convertisseur DC/DC (Hacheur)

L’hacheur est utilisé pour élever le niveau de tension du module PV afin d’alimenter l’onduleur. Cet organe peut avoir plusieurs topologies différentes, Cependant, les convertisseurs de type Boost ou Buck/Boost sont généralement les plus utilisés pour les applications photovoltaïques, car présentant un haut rendement aux valeurs de puissances considérées ¹⁶.

L’utilité d’hacheur est de pouvoir fixer le point de fonctionnement du PV qui montre un point de puissance maximal (MPP) pour un certain niveau de tension à sa sortie. La commande appliquée à l’hacheur vise à atteindre ce niveau de tension pour pouvoir utiliser ce dernier de manière optimale, à l’aide d’un algorithme appelé MPPT (Maximum Power Point Tracking). Voici quelques algorithmes de MPPT couramment utilisés :

• P&O : Perturbation & Observation (Perturbe & Observe) ;
• Logique floue appliquée pour MPPT ;
• Oscillation forcée ;
• Technique par incrémentation de conductance.

Le Convertisseur DC/AC (Onduleur)

Les onduleurs PV convertissent le courant continu en courant alternatif, qui est utilisé pour faire fonctionner les appareils électriques les plus courants. Les panneaux photovoltaïques produisent du courant continu, qui est introduit dans un onduleur PV pour générer du courant alternatif qui permet son intégration au réseau électrique. Les onduleurs sont des composants clés dans les applications d’énergie PV connectées au réseau et autonomes. La demande de charge maximale et la taille du système PV déterminent les valeurs nominales d’un onduleur.

Les onduleurs connectés dans les grands systèmes PV doivent avoir une isolation galvanique pour éviter un fonctionnement dangereux. Ils doivent conserver les caractéristiques de fonctionnement, qualité de l’énergie et les normes électriques (ANSI C84, 150 UL1741 et IEEE 1547) Pour l’interconnexion avec le réseau de distribution ¹⁵.

Il existe trois topologies classiques des onduleurs qui sont représenté sous dessous en concédèrent des systèmes monophasés pour la simplification :

Figure I.24 : Onduleur à demi pont. Figure I.25 : Onduleur à pont complet en H.

Figure I.26 : Onduleur HBDC.

La Figure I.24 représente un onduleur à demi-pont, qui permet de générer deux niveaux distincts de tension à sa sortie. Cette topologie nécessite moins de composants que l’onduleur à pont complet mais offre moins de possibilités de contrôle.

La Figure I.26 présente aussi une topologie d’onduleur à demi-pont, nommée HBDC (Half-Bridge Diode-Clamped). Il s’agit d’une des topologies d’onduleur multi-niveaux, pouvant générer différents niveaux de tension à sa sortie.

Nous utiliserons ici l’onduleur à pont complet présenté en Figure I.25.

Les diodes présentes en antiparallèle des transistors permettent à l’onduleur d’être réversible, et ainsi de pouvoir créer un flux de puissance en sens inverse. Cette topologie permet d’appliquer des niveaux de tension de +VDC ; 0 ; -VDC en fonction de la commutation de ses interrupteurs

La combinaison des différents états des interrupteurs permet d’obtenir une onde carrée en sortie du système, de fréquence égale à la fréquence de commutation des interrupteurs. Une fréquence de commutation élevée conduit à une meilleure qualité de l’onde de sortie, mais aussi à un accroissement des pertes de commutation.

C’est pour cela que les transistors les plus souvent utilisés sont des IGBTs, des MOSFETs ou SiCMOS, car ils présentent une faible résistance interne à l’état passant ¹⁶.

Techniques de commande par MLI

Notre contrôleur adaptatif contrôle l’état de commutation des transistors de manière à créer une onde carrée qui pourra par la suite donner une onde sinusoïdale après filtrage. La technique la plus utilisée pour les topologies d’onduleurs présentées est la Modulation par Largeur d’Impulsion (MLI) de type sinus, ou SPWM (Sinus Pulse Width Modulation). Il s’agit de comparer un signal de référence sinus à 50Hz (le signal que l’on voudra en sortie) à une porteuse triangulaire à haute fréquence ¹⁶.

Filtres harmoniques

Un filtre harmonique passe-bas est placé directement à la sortie du convertisseur, entre le pont et les charges/le réseau pour le but de filtrer la fréquence de sortie ainsi que de protéger le convertisseur contre des transitoires. Les trois types de filtres utilisés sont des filtres L, LC et LCL, représentés à la Figure I.27 ¹⁶.

Figure I.27 : Types de filtres harmoniques.

(a) Filtre L ; (b) Filtre LC ; (c) Filtre LCL

Le Transformateur de puissance

Les systèmes photovoltaïques industriels, commerciaux et utilitaires sont équipés de transformateurs de sous-station et de distribution pour augmenter la tension de l’onduleur à une tension compatible avec le réseau. Les transformateurs assurent l’isolation entre un système PV et le réseau électrique afin d’améliorer la sécurité des équipements.

En général, un transformateur à trois enroulements est utilisé dans les systèmes photovoltaïques de 500 kW ou plus. Deux enroulements sont connectés au côté basse tension (BT) et le troisième est destiné à la connexion moyenne tension (MT). Les systèmes photovoltaïques d’une puissance inférieure à 500 kW sont équipés d’un transformateur à deux enroulements où les enroulements sont connectés aux côtés BT et HT (haute tension), en conséquence Le choix du transformateur dépend du rendement, de la puissance nominale et du coût ¹⁵.

Performance des Systèmes Photovoltaïque

La mesure de la performance du système est nécessaire pour l’exploitation et la maintenance, la planification de la mise en service, les garanties de performance et les décisions d’investissement.

Les performances d’un système PV dépendent à la fois des paramètres des composants du système et des facteurs météorologiques. Habituellement, la performance d’une centrale solaire est mesurée par Le facteur d’utilisation de la capacité (CUF) ou le ratio de performance (PR). Le CUF ou PR est défini comme le rapport entre la production réelle d’électricité d’un système PV et la puissance nominale du système au fil des ans. Le CUF met l’accent sur les zones géographiques, alors que le PR se concentre sur les pertes des composants ¹⁵.

Les principaux indicateurs de performance sont décrits comme suit ¹⁵ :

Paramètres de performance de l’emplacement

Rayonnement solaire

Le rayonnement solaire est un apport fondamental des systèmes PV pour la production d’énergie électrique. Il dépend de divers paramètres, tels que l’ensoleillement, la durée, l’humidité relative, la température, la latitude et l’altitude. Lorsque l’ensoleillement est faible le matin, le soir et surtout en hiver, la puissance de sortie d’un système PV diminue par rapport aux autres moments de la journée et de l’année.

Selon l’emplacement de l’installation, les plantes et les bâtiments peuvent faire de l’ombre aux modules PV et, par conséquent, dégrader les performances globales du système. La principale exigence de conception d’une installation PV est l’obtention de données précises sur l’irradiation solaire, disponibles auprès de différentes sources, telles que NREL, IMD, NASA, Meteonorm et WRDC.

Température

La performance et l’efficacité d’une cellule solaire dépendent de la température du module. Un module PV fonctionne plus efficacement à basse température. La perte de puissance de sortie du système dépend des coefficients de température des matériaux de la cellule, ce qui détermine la variation de la production d’énergie à différentes températures.

Paramètres de performance des composants

Les paramètres de performance des composants, tels que l’efficacité de l’onduleur, dégradation des modules due au vieillissement, l’efficacité des modules et l’encrassement ont un impact significatif sur la production d’énergie PV. Lors de la conception d’un système PV, toutes les pertes possibles doivent être prises en compte.

Efficacité de l’onduleur

Le rendement d’un onduleur solaire détermine la compétence de conversion du courant continu en courant alternatif. Les onduleurs fonctionnent de manière moins efficace en dessous de leur puissance nominale. Par conséquent, Le choix de la taille correcte d’un onduleur est donc crucial dans le processus de conception.

Dégradation du module due au vieillissement

La durée de vie d’un module PV dépend de la stabilité et de la résistance à la corrosion des matériaux de construction. Les fabricants offrent une garantie de 25 ans ou plus sur leurs panneaux PV, mais aucun système PV n’existe pour une période aussi longue. Plusieurs mécanismes de dégradation des modules, tels que la pénétration d’eau ou la pression de la température, réduisent la production et provoquent la défaillance des modules.

Perte due à l’encrassement

La perte due à l’encrassement du module PV fait référence à la réduction de la puissance de sortie, résultant de la poussière, de la saleté, de la neige et d’autres particules. Dans la plupart des cas, les pluies éliminent la poussière accumulée sur la surface du panneau.

Cependant, les saletés, telles que les fientes d’oiseaux, restent à la surface du module PV, même après de fortes pluies qui réduisent la production d’énergie PV. La puissance réduite est rétablie après avoir nettoyé la surface du module.

Perte par réflexion

Les puissances nominales des modules PV sont déterminées dans des conditions d’essai standard utilisant une lumière solaire incidente perpendiculaire.

Dans la pratique, la lumière du soleil tombe sur la surface du module à des angles d’incidence plus importants, ce qui entraîne une perte par réflexion élevée et réduit la puissance de sortie.

Raccordement des Centrales PV avec le Réseau Electrique

Pour la synchronisation avec le réseau électrique, Les disjoncteurs de synchronisation sont équipés de capteurs de tension et d’angle de phase internes qui surveillent les tensions du site et du réseau et signalent l’instant correct pour la fermeture du disjoncteur. En tant que partie intégrante du circuit de protection automatique, toute tentative de fermeture du disjoncteur à un moment incorrect est signalée à l’utilisateur.

Quatre conditions qui doivent être remplies avant que le commutateur de synchronisation n’autorise la fermeture sont les suivantes :

1. La fréquence de la tension terminale doit être aussi proche que possible de la fréquence du réseau, de préférence supérieure d’environ un tiers de hertz.
2. L’amplitude de la tension à la sortie doit correspondre à celle du réseau, de préférence avec quelques pour cent de plus.
3. Les séquences de phase des deux tensions triphasées doivent être les mêmes.
4. L’angle de phase de la tension aux bornes doit être à peu près le même que celui du réseau, de préférence avec quelques degrés d’avance.

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté la production de l’énergie électrique à partir du rayonnement solaire, ainsi que les différentes technologies et les types des systèmes de production, notamment le système raccorder au réseau avec les conditions d’injection qui est le sujet du deuxième chapitre consacre à un cas réel en Algérie.

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⁷ « Titre de l’article, » Source, Année.

¹⁴ « Titre de l’article, » Source, Année.

¹⁵ « Titre de l’article, » Source, Année.

¹⁶ « Titre de l’article, » Source, Année.