Énergie solaire 101 — Transformer la lumière en courant continu et la connecter au réseau et aux batteries

Un panneau solaire ne produit pas directement de courant alternatif. Une jonction pn semi-conductrice sépare l'énergie d'un photon en un électron et un trou. Le courant continu produit par les cellules est ensuite agrégé en série et en parallèle, puis un système MPPT (suivi du point de puissance maximale) et un conditionneur de puissance le convertissent en électricité utilisable. La vision d'ensemble, depuis quelques panneaux photovoltaïques sur un toit jusqu'à une centrale solaire de grande envergure, en passant par les batteries et le marché de l'électricité, permet de relier le graphique de production au fonctionnement du réseau.

Exemple de centrale photovoltaïque à grande échelle

Image : Photovoltaic Panneaux à la ferme solaire de Travers (Kkiefuik, CC BY 4.0), Wikimedia Commons. Une photographie de l'installation, et non une mesure directe des valeurs de production ou d'efficacité mentionnées dans cet article.

0. Version courte (30 secondes)

• La production d'une cellule solaire est déterminée par le produit de la tension (P=VI) et du courant (V). Une irradiance plus importante augmente principalement le courant ; une température plus élevée diminue la tension.

• La courbe I-V possède un point de puissance maximale (MPP) unique, et le MPPT ajuste le point de fonctionnement du convertisseur CC-CC pour qu'il atteigne ce point. L'ombrage peut créer plusieurs pics locaux.

• L'onduleur convertit le courant continu en courant alternatif et contrôle le facteur de puissance, la puissance réactive, les harmoniques et la détection anti-îlotage. Avec une batterie, le surplus d'énergie de midi peut être reporté en soirée.

• Les installations photovoltaïques en toiture, agrivoltaïques, flottantes et en mer sont chacune confrontées à des contraintes différentes en matière de température, de réflexion, de maintenance, de capacité du réseau et d'environnement, selon leur emplacement. Les pérovskites, les cellules tandem, le recyclage et les onduleurs de formation de réseau font tous l'objet de recherches, mais nécessitent une évaluation en termes de durée de vie, d'encapsulation, de gestion des conducteurs, de viabilité financière et de maintenance.

1. La jonction pn convertit la lumière en courant

Diagram 1 · Use the button to switch views

Figure 1 — Avant de comparer deux systèmes photovoltaïques, il convient de prendre en compte séparément les pertes liées à la conversion des cellules, à la température, à l'ombrage, au câblage, au conditionnement de puissance et à l'écrêtement.

Si l'énergie E_{ph}=hc/\lambda d'un photon frappant une cellule solaire dépasse la bande interdite E_g du semi-conducteur, une paire électron-trou est générée. Le champ électrique dans la zone de déplétion de la jonction pn sépare les deux paires dans des directions opposées, générant ainsi un courant dans le circuit externe. Le courant d'une cellule idéale peut s'écrire :

où I_{ph} représente le photocourant. I_0 le courant d'obscurité, q la charge élémentaire, n le facteur d'idéalité et T la température absolue. Au voisinage de la tension en circuit ouvert V_{oc}, le courant chute brutalement ; au voisinage du courant de court-circuit I_{sc}, la tension est quasi nulle. Le point d'inflexion de cette courbe correspond au point de puissance maximale (MPP).

Connecter des cellules en série augmente la tension ; les connecter en parallèle augmente le courant. Les diodes de dérivation d'un panneau évitent les points chauds, où un ombrage partiel polarise en inverse toute une chaîne de cellules et génère de la chaleur. L'ombrage, la saleté, la neige et le vieillissement modifient tous la courbe I-V de chaque chaîne ; la surveillance de la production enregistre donc simultanément la tension, le courant et la température.

2. MPPT : suivi du point de puissance maximale

La condition de puissance maximale P(V)=V I(V) est :

Parmi les méthodes MPPT représentatives, on trouve la méthode Perturber et Observer (recherche du point le plus proche), qui modifie légèrement la tension de fonctionnement et observe la réaction de la puissance, et la méthode de conductance incrémentale, qui contrôle la puissance pour satisfaire la contrainte dI/dV=-I/V. En cas de variation soudaine de l'irradiance, ces méthodes peuvent, par erreur, suivre la hausse ou la baisse précédente. C'est pourquoi la recherche combine capteurs météorologiques, plusieurs chaînes de panneaux et contrôle prédictif.

3. Conditionneur de puissance et interconnexion au réseau

La sortie CC des panneaux photovoltaïques est convertie en CA par un convertisseur élévateur, un condensateur de liaison CC et un pont en H ou un onduleur triphasé. Le contrôle par suivi de réseau, qui suit la phase du réseau via une boucle à verrouillage de phase (PLL) et transforme le courant en une onde sinusoïdale, est l'approche courante. Comme la production d'électricité continue par les panneaux photovoltaïques en toiture lors d'une coupure de réseau est dangereuse pour les travailleurs, la détection et la déconnexion du phénomène d'îlotage sont nécessaires.

Sur les réseaux fragiles à forte part d'énergies renouvelables, le contrôle de formation de réseau – où l'onduleur se comporte comme une source de tension plutôt que de simplement suivre la tension du réseau – suscite un intérêt croissant. Machines synchrones virtuelles, machines virtuelles Les oscillateurs et la régulation de chute de tension permettent une réponse rapide aux variations de fréquence et aux fluctuations de tension. Il ne s'agit pas de modifier le semi-conducteur de la cellule solaire, mais d'adapter la commande et la protection du convertisseur de puissance au réseau électrique dans son ensemble.

4. Irradiance, température et angle d'installation

Avec une irradiance sur le plan G [W/m²], une surface de module A et un rendement de conversion \eta, la production instantanée peut être approximée par :

Le rendement \eta diminue avec le coefficient de température. L'espace entre le module et le matériau de toiture, la ventilation arrière, la structure de montage, l'azimut, l'angle d'inclinaison et la lumière réfléchie influent tous sur la production annuelle. Les modules bifaciaux exploitent la réflectance du sol (albédo) ; il est donc nécessaire de prendre en compte l'état de la surface d'installation (gravier blanc, neige, terres agricoles). Conception.

Les sites agrivoltaïques doivent éviter de trop réduire l'ensoleillement des cultures, répartir l'ombrage des panneaux et maintenir un dégagement suffisant pour la hauteur de travail des machines agricoles. Pour les installations flottantes, il est nécessaire d'évaluer l'effet de refroidissement de la surface de l'eau, l'ancrage, les vagues, le câblage et l'impact sur les algues et la qualité de l'eau. La maximisation de la production à elle seule peut occulter les compromis avec le rendement des cultures et la facilité d'entretien.

5. Batteries et prévisions

Le surplus d'énergie solaire charge une batterie en vue de sa décharge en soirée ou par temps nuageux. L'état énergétique de la batterie E peut être mis à jour à l'aide de la commande de puissance P_b et du rendement aller-retour \eta_{rt} comme suit :

où P_{ch} et P_{dis} représentent respectivement la puissance de charge et de décharge, et \eta_c,\eta_d leurs rendements respectifs. Les limites supérieures et inférieures de l'état de charge (SOC), la température, la dégradation et la capacité d'interconnexion sont également prises en compte. Les contraintes. La prévision de l'ombre des nuages quelques minutes à l'avance permet de choisir entre maintenir la batterie disponible ou accepter une réduction de la production.

6. Technologies et recherches actuelles

Un système photovoltaïque typique actuel se compose de cellules en silicium cristallin, d'une chaîne ou d'un micro-onduleur, d'une passerelle de surveillance, de disjoncteurs, d'une mise à la terre et d'une protection contre la foudre, et, le cas échéant, d'une batterie. Les comparaisons de performances doivent prendre en compte, au-delà du rendement nominal, le rendement à charge partielle, la consommation en veille nocturne, la plage de tension MPPT, la détection des défauts d'arc, les mises à jour de micrologiciel à distance, les pièces de rechange et la résistance aux charges thermiques et à l'air salin.

Les recherches portent sur les cellules tandem (empilement d'une pérovskite à bande interdite différente sur du silicium), les films minces légers applicables sur des surfaces courbes, l'encapsulation longue durée, la récupération et le recyclage du plomb, les onduleurs de formation de réseau et les solutions combinant photovoltaïque, batteries, hydrogène et gestion de la demande. Malgré un rendement de conversion élevé en laboratoire, l'uniformité des grands modules, la résistance aux UV, à l'humidité et aux cycles thermiques, les garanties de plus de 25 ans et la récupération en fin de vie demeurent des obstacles. à la commercialisation.

7. Surveillance, maintenance et sécurité

Détecter une baisse de production implique de comparer les valeurs attendues, normalisées en fonction des conditions météorologiques, aux mesures réelles. Il convient de vérifier les valeurs aberrantes du courant de chaîne, les différences de température des panneaux, la résistance d'isolement de l'onduleur, la détection des défauts d'arc, les fusibles des boîtes de jonction et les connecteurs de câbles. L'imagerie infrarouge par drone peut repérer les points chauds, mais la réflexion, le vent et l'angle de mesure ont une incidence ; il est donc nécessaire de recouper toute anomalie détectée avec des mesures électriques.

Les arcs électriques continus peuvent persister même après l'ouverture d'un disjoncteur. Les intervenants doivent considérer que la tension de production reste présente tant que le panneau reçoit la lumière du soleil et respecter les réglementations de sécurité électrique en vigueur ainsi que les procédures du fabricant. Lorsque des batteries sont installées à proximité, le plan d'intervention en cas d'incendie (extinction, isolation, réallumage et coordination avec les pompiers et les services publics) doit être intégré.

8. Conclusion

L'énergie solaire est un système continu qui englobe la conversion photovoltaïque, le MPPT, la conversion CC-CC, l'onduleur, le transformateur, la surveillance, le stockage et la protection du réseau. Lors de la comparaison de la production annuelle, il est important de prendre en compte l'irradiance, la température, L'ombrage, la saleté, la dégradation, les pertes de conversion et la réduction de la production sont soumis aux mêmes conditions. De même, la lecture d'informations sur les pérovskites ou les onduleurs de réseau doit prendre en compte l'échelle de démonstration, la durabilité, la maintenance, le recyclage et la sécurité tout au long du cycle de vie.

Références

• Agence pour les ressources naturelles et l'énergie — Énergies renouvelables (japonais)

• NREL — Tableau d'efficacité des meilleures cellules de recherche

• IEA PVPS

• CEI 61724-1 — Surveillance des performances des systèmes photovoltaïques
• NREL — Recherche sur les onduleurs de formation de réseau