Couverture ElectroniqueS n°127

Si l'effet photovoltaïque fut découvert au milieu du XIXe siècle, il est encore loin de sa maturité technologique. Il aura fallu attendre ces dernières années pour enfin le voir entrer dans la liste des moyens de production d'énergie à grande échelle potentiellement viables. Avec un taux de croissance annuel composé avoisinant les 35 % au cours des deux dernières années, l'électricité produite par les technologies du solaire est un marché en rapide expansion. Ce n'est pas surprenant quand on sait qu'elle bénéficie d'améliorations importantes du rendement des panneaux, de tarifs de rachat garantis dans un nombre croissant de pays et, surtout, du fait qu'elle constitue une énergie « propre », silencieuse et non polluante durant son utilisation.Comparée aux autres énergies renouvelables, elle offre des avantages importants. L'énergie solaire est disponible quasiment partout ; les installations sont évolutives, des plus modestes pour les maisons individuelles jusqu'aux centrales solaires de production à grande échelle ; aucune fourniture n'est nécessaire pour les faire fonctionner et les installations comportent peu ou pas de pièces mobiles susceptibles d'avoir un impact significatif sur la fiabilité. Les autres alternatives actuelles, telles que le pétrole, le charbon ou l'énergie nucléaire, présentent des inconvénients en matière de disponibilité et de développement durable, sans parler des effets néfastes pour l'environnement à plus ou moins long terme. Il n'est donc pas surprenant que les taux de croissance du secteur de l'énergie solaire se maintiennent à des niveaux soutenus depuis déjà de nombreuses années. A titre d'illustration, la figure 1 montre l'évolution de la capacité de production installée (trait rouge) et de l'énergie électrique effectivement fournie (barres) en Allemagne, sans doute le pays qui a fourni jusqu'à ce jour les plus gros efforts de développement des technologies solaires. Tous les grands fabricants de panneaux construisent actuellement de vastes usines en vue de profiter des perspectives alléchantes de ce secteur. Cependant, outre les facteurs extérieurs, ce marché est dans le même temps caractérisé par une évolution technologique considérable et une amélioration du rendement des cellules. Par ailleurs, la croissance a été telle qu'elle a provoqué encore récemment une pénurie d'une des matières premières essentielles, le silicium brut, également utilisé dans l'industrie des semiconducteurs.Dans le même temps, l'électricité de source solaire ne représente en Allemagne, comme l'illustre le graphique de la figure 2, que 4 % de l'ensemble des énergies renouvelables (et seulement 0,6 % de la production totale d'électricité), d'où un potentiel de croissance considérable. De même, l'industrie des énergies renouvelables est très créatrice d'emplois, comme le montre la figure 3. Il est intéressant de noter que, compte tenu de sa contribution en termes absolus au marché de l'énergie, le nombre d'emplois créés par le solaire est disproportionné. Il repose en effet sur une chaîne de valeur complexe comportant de nombreuses étapes intermédiaires, les économies d'échelle exigeant des installations de grande taille, à la différence de l'industrie de la biomasse, qui présente une structure beaucoup plus granulaire. L'illustration de la figure 4 montre schématiquement la chaîne de valeur de l'industrie de l'énergie photovoltaïque.L'efficacité énergétique est l'âme du convertisseurLe convertisseur est le principal élément entre les panneaux et le réseau, comme le montre la figure 5. Il assure la bonne charge des cellules afin de produire le maximum d'électricité et convertit cette énergie en courant alternatif. Pour ce faire, on a recours à une architecture de type suiveur MPP (Maximum power point). Si on considère les cellules comme une source de tension d'impédance source non linéaire, le suiveur MPP fait varier la charge jusqu'à ce que la tension et le courant en sortie atteignent leur maximum en modifiant l'impédance d'entrée du convertisseur amplificateur. Ensuite, ce courant continu est converti en courant alternatif : le convertisseur surveille la tension et la fréquence du réseau, ainsi que sa propre intensité de sortie, pour contrôler correctement la conversion. Il joue en fait le rôle de source de courant alternatif et détermine ainsi l'impédance du réseau électrique. La tension intermédiaire doit être supérieure à la tension de sortie en crête recherchée, augmentée d'une marge de sécurité. Pour une alimentation sinusoïdale de 220 Vrms, la tension en crête est de 308 V. Par conséquent, la tension intermédiaire habituellement choisie est de 350 à 390 V. Cela signifie que le second convertisseur peut fonctionner uniquement en mode abaisseur de tension.Il n'est pas rare de trouver plusieurs convertisseurs amplificateurs branchés en parallèle, ce qui permet d'interconnecter plusieurs panneaux. Tous « alimentent » ainsi un même convertisseur. L'illustration de gauche de la photo ci-dessous représente un convertisseur, le circuit imprimé principal étant dédié à la conversion. Au centre de ce dernier, des transistors bipolaires à porte isolée (IGBT) sont visibles sous des pinces qui les maintiennent en contact mécanique avec un dissipateur thermique. Sur la droite, des condensateurs électrolytiques servent de stockage intermédiaire entre l'étage amplificateur et le convertisseur. Ce convertisseur n'est pas équipé de transformateurs, et les deux grosses bobines situées au sommet sont les inductances de sortie. Le système à plus grande échelle, en partie droite de la photo ci-dessous, combine de multiples convertisseurs installés dans plusieurs armoires, offrant une puissance de sortie totale de 500 kW. L'unité située au milieu est l'unité de suivi, qui sert à commander tous les convertisseurs et à surveiller les performances des éléments auxiliaires de la centrale de production d'électricité solaire.Diverses architectures sont possibles pour le module de conversion du courant continu en courant alternatif du convertisseur ; bon nombre sont des technologies propriétaires des fabricants de ces dispositifs. L'une des topologies « classiques » consiste à utiliser un pont complet pour les inductances de sortie afin de réduire les interférences électro-magnétiques. Ici, l'un des appareils peut être commuté à la fréquence de la ligne, tandis que les autres sont cadencés par la fréquence de l'étage de conversion. Si cette configuration est ajustée, il est possible de choisir les premiers éléments de commutation pour réduire les pertes de conduction, comme sur les transistors IGBT NPT (Non punch through) FS (FieldStop) de Fairchild Semiconductor. La combinaison de transistors IGBT différents ou identiques, et de transistors Tecscom, peut contribuer à améliorer le rendement général. En outre, pour piloter correctement les interrupteurs d'alimentation, il est possible d'utiliser des commandes de grille isolées telles que le circuit FOD3180. Cela améliore la fiabilité du système en cas de variation de tension brusque.Dans les applications telles que les convertisseurs solaires, où le principal paramètre de performance est l'efficacité de conversion, les améliorations apportées par les transistors IGBT, les transistors Tecsom et les diodes sont très importantes. Dans ce cas, il est encore possible de compenser les chutes de tension et les pertes d'énergie à la commutation mais, pour ce faire, il faudra trouver le moyen de piloter correctement les transistors afin d'éviter les oscillations parasitaires et les surtensions, qui sont les deux principaux obstacles à un rendement élevé. Cette exigence rend les convertisseurs solaires et, par exemple, les alimentations électriques des serveurs très comparables. En effet, dans les deux cas, il s'agit d'optimiser le rendement : dans le premier, pour des raisons économiques ; dans le second, pour des raisons de dimensionnement (mais également financières).En conséquence, outre le schéma de commande, la sélection de la topologie, des transistors d'alimentation et de leurs circuits de pilotage n'écartent pas la moindre innovation pour améliorer l'efficacité énergétique globale. Enfin, et ce n'est pas l'aspect le moins important, une intégration plus poussée des sous-systèmes à des modules d'alimentation intelligents peut réellement faciliter la tâche. La proximité et l'adéquation entre circuit de commande et transistor d'étage de puissance permettent de réaliser une commutation optimale.

L’électricité solaire, une terre fertile à défricher pour la conversion d’énergie

Couverture ElectroniqueS n°127

IBM grave les premières puces en 2 nm en abandonnant les FinFET

Zeta, le protocole LPWAN made in China, arrive en Europe

Harting invente le connecteur électronique sur mesure

L’électricité solaire, une terre fertile à défricher pour la conversion d’énergie

Dans la même rubrique

Couverture ElectroniqueS n°127

IBM grave les premières puces en 2 nm en abandonnant les FinFET

Zeta, le protocole LPWAN made in China, arrive en Europe

Harting invente le connecteur électronique sur mesure