L’analyse comparative des onduleurs révèle comment optimiser le dimensionnement d’un système de pompage photovoltaïque. Découvrez les avantages clés pour l’agriculture marocaine et les enjeux environnementaux, et posez-vous la question : comment ces solutions peuvent-elles transformer l’irrigation durable dans les zones arides ?
Le convertisseur continu-alternatif (DC-AC) : L’onduleur
Un onduleur est un dispositif électronique permettant de fournir une tension alternative avec une fréquence fixe ou ajustable à partir d’une source d’énergie électrique de tension continue. Avec même puissance presque, L’onduleur est un convertisseur statique de type continu/alternatif. Il est dit autonome s’il assure de lui même sa fréquence et sa forme d’onde.
La conception de l’ensemble du système photovoltaïque de façon à extraire le maximum de puissance du générateur photovoltaïque, quelles que soient les perturbations d’éclairement et de la température, pour alimenter les appareils sous la tension alternative à partir des panneaux solaires nécessite l’utilisation d’un onduleur assurant la conversion DC/AC. Il peut être conçu à base de transistors de puissance ou à thyristors utilisés comme commutateurs de puissance.
La fréquence de commutation de semi-conducteurs détermine la fréquence de la tension de sortie.
L’onduleur autonome impose lui- même la forme et la fréquence de l’onde de sortie.
Dans le système de pompage photovoltaïque, la connexion entre le générateur photovoltaïque et la pompe entraînée par un moteur à courant alternatif est faite par un onduleur. Ce dernier permet de réaliser un transfert optimal de puissance entre le générateur et le groupe moto- pompe sous les conditions variables de la puissance produite et de la demande en puissance. Ce transfert est contrôlé par variation de fréquence [24].
Deux types d’onduleurs sont donc utilisés pour assurer une telle conversion :
- Onduleur Monophasé.
- Onduleur Triphasé.
Onduleur Monophasé
Ce type d’onduleur délivrant en sa sortie une tension alternative monophasée, est généralement destinée aux alimentations de secours. Deux classes d’onduleurs monophasés sont à distinguer, suivant leur topologie.
Onduleur monophasé en demi-pont
[6_analyse-comparative-des-onduleurs-pour-pompage-solaire_1]Le schéma de principe d’un tel onduleur monté en demi-pont est montré sur la Figure III.24 :
.
Figure III.24 : Schéma de principe d’un onduleur monophasé en demi-pont.
Il est constitué principalement de deux interrupteurs de puissance notés S1 et S2 à commande complémentaire. La durée de conduction de chacun des interrupteurs est alors d’un demi cycle (180°) correspondant à la fréquence du signal de sortie requis. Lors de la fermeture de l’interrupteur S1, la tension aux bornes de la charge serait donc de + E/2, et prend la valeur – E/2 quand le second interrupteur, S2 est fermé.
La conduction simultanée des deux interrupteurs est évitée par l’élaboration d’une commande adéquate qui tient compte des différentes caractéristiques des imperfections de ces interrupteurs de puissance (temps de montée tr, temps de descente tf et temps de stockage ts). Les diodes D1. D2, dites de récupération, assurent la conduction d’un courant négatif en cas de déphasage de ce dernier par rapport à la tension aux bornes de la charge [25].
Onduleur monophasé en pont (Pont H)
L’onduleur en pont est représenté en Figure III.25 il comporte quatre interrupteurs de puissance désignée par S1, S2, S3 et S4 quand les interrupteurs S1 et S2, sont fermés simultanément la tension imposée aux bornes de la charge prend la valeur + E, et de –E lors de la fermeture simultanée des deux autres interrupteurs S3 et S4. Deux interrupteurs du même bras ne peuvent pas conduire simultanément, à cause d’un court-circuit de la source de tension continue [25].
[6_analyse-comparative-des-onduleurs-pour-pompage-solaire_2]
Figure III.25 : Schéma de Principe d’un Onduleur Monophasé En Pont.
Onduleur triphasé :
Ce type d’onduleur est généralement recommandé pour des applications de grande puissance. La structure de tel convertisseur se fait par l’association, en parallèle, de trois onduleurs monophasés en demi pont (ou en pont) donnant trois tensions de sortie déphasées de 120° degrés, l’une par rapport à l’autre [25].
[6_analyse-comparative-des-onduleurs-pour-pompage-solaire_3]
Figure III.26 : Schéma de Principe d’un Onduleur Triphasé En Pont
La Figure III.26 illustre la topologie d’un onduleur triphasé à six interrupteurs de puissance. Le décalage entre les signaux de commande est de 60°.
Méthodes de recherche du point de puissance maximale MPP
L’unité de régulation de l’onduleur assure un fonctionnement du générateur PV au point de fonctionnement optimal (point de puissance maximale ou MP) pour garantir une production de puissance électrique maximale. Il
existe environ une vingtaine de méthodes de recherche du point de puissance maximale d’un champ de modules (Maximum Power Point Tracking), dont l’efficacité et la rapidité varient. Les deux méthodes les plus couramment rencontrées sont celles dites du Hill-Climbing et du P&O (Perturb and Observe) [26].
Ces deux méthodes fonctionnent sur le même principe qui consiste à perturber le fonctionnement du système et à analyser ensuite comment le système réagit à cette perturbation : modification du rapport cyclique de hachage pour la méthode de Hill-Climbing, modification de la tension aux bornes du champ de modules photovoltaïques pour la méthode P&O.
Le fait de modifier le rendement de conversion de l’onduleur perturbe le courant continu issu des modules et par conséquent la tension à leurs bornes et la puissance instantanée délivrée. Ces deux méthodes sont donc basées sur le contrôle de la puissance instantanée délivrée par le champ de modules PV en fonction de variations de la tension continue aux bornes du champ PV [26].
Les batteries
Pour la maintenance d’un fonctionnement continu du système photovoltaïque de pompage, la mise en place d’un système de stockage d’énergie dans le cas d’insuffisance de puissance crête du générateur photovoltaïque est nécessaire mais aussi assez chère.
Les batteries, dites aussi accumulateurs, sont des systèmes électrochimiques destinés à stocker une énergie chimique et à la restituer ultérieurement sous forme d’énergie électrique.
Un accumulateur est un dispositif électrochimique qui permet la conversion réversible d’énergie chimique en énergie électrique.
En charge, l’énergie électrique est convertie et stockée sous forme d’énergie chimique à travers des réactions d’oxydoréduction. En décharge, l’élément fonctionne en mode générateur. Dans ce cas, l’énergie chimique est convertie en énergie électrique, et les réactions inverses se produisent aux électrodes.
Un accumulateur est constitué principalement, de deux électrodes qui permettent de stocker les électrons à l’issue des réactions électrochimiques d’oxydoréduction. Ces électrodes sont immergées dans l’électrolyte qui permet le transport des espèces ioniques d’une électrode à l’autre. Le séparateur permet l’isolation électrique pour assurer le passage des électrons via le circuit électrique extérieur [27].
La Figure III.27 présente le schéma de principe de fonctionnement d’un accumulateur pour les modes de décharge (a) et de charge (b).
[6_analyse-comparative-des-onduleurs-pour-pompage-solaire_4]
Figure III.27 : Principe de fonctionnement d’un accumulateur [27]
La batterie est caractérisée par : [27]
- Sa résistance interne faible (quelques centièmes d’ohm).
- Sa tension à vide à laquelle la batterie est totalement chargée.
- Sa tension nominale à laquelle l’énergie stockée est restituée normalement à la charge ; elle varie selon le type de batterie et peut avoir : 6, 12, 24, 48 volts.
- Son rendement qui est le rapport entre l’énergie électrique restituée par l’accumulateur et l’énergie fournie à l’accumulateur.
- Sa capacité qui est la quantité d’Ampères qu’elle fournit multipliée par le nombre d’heures pendant lesquelles le courant circule, elle est proportionnelle aux dimensions de la batterie. Ce paramètre est exprimé en Coulombs ou l’ampère-heure (Ah) (1Ah=3600C).
- Sa tension de fin de décharge qui la tension minimale qu’elle doit avoir pour ne pas s’endommager.
- Sa profondeur de décharge qui est le pourcentage de l’énergie maximale qui doit être extraite de la batterie qui est utilisé pendant un cycle de charge/décharge, elle influence sur la durée de vie de la batterie (plus la profondeur de décharge est importante plus la durée de vie de la batterie sera courte).
- Son nombre de jour d’autonomie qui est la période durant laquelle que la batterie alimente les récepteurs de sa charge jusqu’à sa décharge.
Il existe plusieurs types d’accumulateurs, on cite les principaux :
- Accumulateur au plomb Pb
- Accumulateur au Lithium-ion
- Accumulateur au Nickel-Cadium
- Accumulateur Nickel-Metal-Hybride
La batterie au plomb acide est la technologie la plus utilisée, à cause de son faible coût et sa disponibilité. La capacité de stockage de la batterie est déterminée par la relation suivante :
C = 𝐸𝑐.𝑁 , avec :
𝐷.𝑈𝑠𝑦𝑠
Ec : énergie électrique consommée par jour en Wh/jour N : nombre de jours d’autonomie
D : profondeur de décharge de la batterie Usys : la tension du système
Contrôleur de charge :
Le contrôleur de charge ou régulateur de charge, a pour rôle de suivre l’état de charge de la batterie et la protéger contre la surcharge et la décharge profonde. Le contrôleur de charge arrêtent de charger une batterie elle dépasse un niveau de tension élevé défini et réactive la charge lorsque la tension de la batterie redescend en dessous de ce niveau.
Dans un système photovoltaïque, l’utilisation d’un régulateur de charge pour la batterie est nécessaire pour maintenir une alimentation réglable des composants du système.
Sans contrôle de charge, le courant du module circulera dans la batterie proportionnellement à l’éclairement énergétique, que la batterie ait besoin d’être chargée ou non. Si la batterie est complètement chargée, une charge non régulée fera en sorte que la tension de la batterie atteigne des niveaux excessivement élevés, provoquant un dégagement de gaz important, une perte d’électrolyte, un chauffage interne et une corrosion accélérée du réseau. En fait, le contrôleur de charge maintient l’état de la batterie et prolonge sa durée de vie.
On distingue quatre types de régulateurs : régulateur en série, en shunt, régulateur PMW et régulateur MPPT
- un régulateur en série désactive le flux de courant supplémentaire dans les batteries lorsqu’elles sont pleines.
- Un contrôleur de charge shunt détourne l’électricité excédentaire vers une charge auxiliaire lorsque les batteries sont pleines.
- Les technologies de modulation de largeur d’impulsion (PWM) et de suivi du point de puissance maximale (MPPT) sont plus sophistiquées électroniquement, ajustant les taux de charge en fonction du niveau de la batterie, afin de permettre une charge proche de sa capacité maximale.
[6_analyse-comparative-des-onduleurs-pour-pompage-solaire_5]
FigureIII.28 : controlleur de charge MPPT
Conclusion :
On a traite dans ce troisième chapitre les différents éléments constituants d’un système pompage solaire photovoltaïque, qui est soit autonome, hybride ou raccordé au réseau. Ces composants sont le générateur photovoltaïque, le convertisseur et le groupe motopompe en cas de pompage au fil du soleil et disposant d’un réservoir de stockage de l’eau, et on y ajoute la batterie et le régulateur en cas de pompage par stockage d’énergie.
On verra dans le chapitre suivant la méthodologie de dimensionnement d’un système de pompage solaire, et le choix adéquat de ses composants.
Questions Fréquemment Posées
Qu’est-ce qu’un onduleur dans un système photovoltaïque?
Un onduleur est un dispositif électronique permettant de fournir une tension alternative avec une fréquence fixe ou ajustable à partir d’une source d’énergie électrique de tension continue.
Quels sont les types d’onduleurs utilisés pour le pompage solaire?
Deux types d’onduleurs sont utilisés pour assurer la conversion : l’onduleur monophasé et l’onduleur triphasé.
Quelle est la différence entre un onduleur monophasé et un onduleur triphasé?
L’onduleur monophasé délivre une tension alternative monophasée, généralement destinée aux alimentations de secours, tandis que l’onduleur triphasé est recommandé pour des applications de grande puissance, avec trois tensions de sortie déphasées de 120°.