Ces applications vont de la signalisation routière mobile et des feux de signalisation de chantier aux stations de pompage isolées et aux tours de communication. De fait, l'énergie solaire s'impose comme une source d'énergie viable pour toute une nouvelle génération d'applications hors réseau.
Il existe toujours une raison pour laquelle une application ne peut être alimentée directement par le réseau électrique : l’équipement peut devoir être portable, comme la signalisation routière ou les feux de signalisation de chantier ; ou, comme pour les sous-stations électriques et les pylônes de télécommunications, son emplacement peut être tout simplement trop isolé pour être desservi par le réseau.
Certaines des décisions de conception les plus critiques pour l’alimentation d’applications hors réseau par l’énergie solaire sont liées aux avantages et inconvénients inhérents au système d’alimentation lui-même. Ces aspects seront déterminés principalement par le type de charge et les profils de consommation, spécifiques à chaque application.
Analyse de la charge.
La figure 1 présente le schéma fonctionnel d'un système de haut niveau qui sert de base à toute conception de système d'énergie solaire. Une compréhension approfondie des principales caractéristiques de la charge et de leur évolution dans le temps est essentielle dès le début du processus de conception afin d'obtenir un équilibre entre l'énergie reçue, stockée et utilisée pour chaque application.
Les charges se présentent sous différentes formes et tailles : elles peuvent être constantes ou variables, de jour comme de nuit ; et elles peuvent être intermittentes ou fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7.
L'analyse du type et du comportement de chaque charge applicative détermine la mise en œuvre du système. Par exemple, les feux de détresse utilisés dans les zones de travaux présentent une charge constante, pulsée et nocturne. Ce type de charge peut être rechargé pendant la journée, et la capacité de la batterie peut être choisie pour garantir une alimentation suffisante aux feux de détresse pour toute la nuit. En revanche, un feu de signalisation routière nécessite une charge pulsée fonctionnant de jour comme de nuit. Dans ce cas, la batterie et le système doivent être dimensionnés pour supporter une charge constante pendant la journée et recharger simultanément la batterie afin que le feu de signalisation continue de fonctionner la nuit.
Une pompe devrait également fonctionner jour et nuit, mais sa charge serait plus intermittente que constante. Dans ce cas, une défaillance du système devrait être évaluée et le système devrait être conçu pour faire face au pire des scénarios, incluant un système de secours au cas où l'énergie solaire serait insuffisante pour l'alimenter. Une station de pompage d'eau de pluie, par exemple, aurait besoin d'un système de secours car, lorsqu'il pleut, l'ensoleillement est très faible pour recharger les batteries, et c'est précisément à ce moment-là que le système sera le plus sollicité : pendant ou après la pluie.
Chaque application hors réseau aura son propre type de charge, mais la figure 2 illustre les profils de charge d'un signal de danger, d'un panneau d'information routière et d'une pompe.
L'essentiel est de connaître la charge journalière moyenne en fonction de son amplitude, de sa fréquence et de son comportement en fonctionnement. Une fois la charge et ses conditions de fonctionnement connues, la spécification des besoins en stockage d'énergie devient relativement simple.
Stockage d'énergie :
Les besoins de stockage d'énergie de base peuvent être calculés par une simple méthode de bilan énergétique sur 24 heures. La figure 3 illustre les conditions de fonctionnement et leur incidence sur la taille de la batterie. La capacité de stockage d'énergie est déterminée par la partie gauche de ce tableau.
La charge peut être prévisible, comme pour les feux clignotants autoroutiers, ou très variable, comme pour les applications de pompage. La gestion des charges variables comprend deux scénarios : le fonctionnement normal, qui couvre 95 % des cas, et le fonctionnement en situation défavorable, qui couvre le reste. En conditions normales, l’élément de stockage d’énergie peut être rechargé tout au long de la journée et disposer d’une capacité suffisante pour alimenter la charge pendant toute la nuit. Cependant, dans le pire des cas, la pompe pourrait se mettre en marche au crépuscule et fonctionner à pleine charge toute la nuit. L’équation suivante illustre le besoin en stockage d’énergie dans le pire des cas en cumulant la consommation d’énergie horaire maximale sur la période où l’élément n’est pas rechargé.
Stockage d'énergie requis = Énergie maximale à la charge par heure * (24 heures - Durée de charge)
Dans le pire des cas, on suppose qu'il reste de l'énergie dans la batterie ou l'élément de stockage, mais il convient de tenir compte des conséquences d'une batterie non pleinement chargée avant la mise en service.
Dans toutes les applications, l'impact et le coût d'une panne, comme par exemple le dysfonctionnement d'un signal d'avertissement de danger ou l'arrêt d'une pompe, constituent un facteur essentiel. Une solution évidente pour atténuer ce risque consiste à augmenter la capacité de stockage d'énergie. Cependant, il existe toujours un scénario catastrophe. Dans les situations où une panne est inacceptable ou lorsque la puissance maximale est rarement requise, il est possible de dimensionner le système pour un fonctionnement normal et d'ajouter un système de secours, tel qu'un groupe électrogène diesel.
La partie gauche de la figure 3 illustre les besoins en stockage d'énergie, tandis que la partie droite permet de dimensionner le champ solaire.
Dimensionnement des panneaux solaires :
Si les besoins en énergie sont bien compris, la taille des panneaux solaires peut être ajustée. D’après la figure 3, les panneaux solaires doivent être dimensionnés pour couvrir la capacité de stockage d’énergie pendant la durée de charge spécifiée, et pour supporter la charge moyenne pendant cette même période. Cette relation générale est définie par l’équation suivante :
Puissance de sortie des panneaux solaires =
Capacité de stockage d'énergie +
Temps de charge
+ Puissance de charge moyenne
En utilisant une technique simplifiée de bilan énergétique, il est possible d'estimer la taille des composants de stockage d'énergie et des panneaux solaires. Cependant, d'autres facteurs internes et externes doivent être pris en compte pour affiner ces dimensions.
Parmi les facteurs externes essentiels, on peut citer la localisation, et plus précisément la latitude de l'installation hors réseau. Celle-ci détermine à elle seule le niveau maximal d'ensoleillement attendu, ainsi que ses variations au cours de l'année. L'ensoleillement sera minimal en hiver et maximal en été, en raison de la position du site par rapport au soleil.
D'autres facteurs externes, tels que la couverture nuageuse et la température ambiante, peuvent également affecter négativement la quantité de rayonnement solaire que le système est censé recevoir, ainsi que l'efficacité de la conversion d'énergie. Ces facteurs externes varient nécessairement selon l'application et le lieu.
Des facteurs internes, comme l'architecture du système et ses interfaces, influent également sur la taille des composants. Dans les exemples précédents, la taille du stockage d'énergie et des panneaux solaires détermine l'énergie et la puissance pouvant être fournies. Cependant, comme il est impossible d'atteindre un rendement de conversion de 100 %, ces pertes inévitables doivent être maîtrisées. Il est donc essentiel de prendre en compte l'électronique de puissance lors du calcul de l'énergie à produire.
Électronique de puissance :
Bien que le schéma fonctionnel du système (figure 1) explique le bilan énergétique, des informations complémentaires sont nécessaires pour prendre en compte les facteurs internes influençant la taille des composants. La figure 4 fournit des détails supplémentaires sur la mise en œuvre du système et soulève également des questions relatives à la stratégie en matière d’électronique de puissance.
La stratégie d'alimentation repose sur un microcontrôleur, offrant une grande flexibilité intrinsèque. Elle permet l'utilisation d'une conception de référence standard pour une large gamme d'applications, tout en répondant aux besoins spécifiques de chaque application et en intégrant des fonctionnalités avancées. Une conception d'alimentation basée sur un microcontrôleur prend non seulement en charge la conversion de puissance de base, mais offre également une grande flexibilité dans le choix des composants clés ; elle s'adapte aux évolutions et permet l'optimisation des différents états de fonctionnement. De plus, des fonctions avancées telles que la communication et le diagnostic, impossibles à mettre en œuvre avec un convertisseur de puissance autonome dédié, peuvent être facilement implémentées grâce à une conception basée sur un microcontrôleur.
Dans cette mise en œuvre, les principales questions concernent la charge : quelle est sa nature et comment sera-t-elle contrôlée ? Une tension ou un courant sera-t-il nécessaire, et quelle précision sera requise pour la consigne de courant ou de tension ? La régulation de la charge peut être aussi simple qu’un relais ou aussi complexe qu’un onduleur triphasé, mais les deux nécessitent une fonction de charge utilisant l’énergie solaire pour recharger le dispositif de stockage d’énergie et, si possible, assurant le suivi du point de puissance maximale (MPPT).
L'une des premières décisions à prendre est peut-être le choix entre une architecture à rail commun et une architecture à rails d'alimentation distribués. La figure 5 illustre la différence entre ces architectures, bien que le comportement de la charge soit le principal facteur influençant ce choix. Si la charge requiert une tension constante, le rail d'alimentation représenté sur la figure 5a est la solution optimale. Dans ce cas, le contrôleur de charge se réduit à un simple relais ou un interrupteur statique. Le convertisseur DC/DC solaire maintient le rail commun à la tension de consigne, et le chargeur de batterie est alimenté par le bus pour charger le dispositif de stockage d'énergie. Les avantages et les inconvénients de cette solution résident dans les étapes de conversion de puissance : en supposant un rendement moyen de 85 % pour la conversion de puissance, il subsistera des pertes de conversion de 15 %. Si le convertisseur DC/DC solaire peut gérer la charge, une seule conversion sera nécessaire. Cependant, la charge de la batterie requiert deux conversions : la première du convertisseur DC/DC solaire vers le rail commun, et la seconde du rail commun vers le convertisseur DC/DC bidirectionnel, puis la seconde du convertisseur bidirectionnel vers le rail commun.
Une alimentation à rail commun peut également être utilisée si la charge n'est nécessaire que la nuit, lorsque le convertisseur DC/DC solaire est hors service. Dans ce cas, le convertisseur DC/DC solaire peut être supprimé et le convertisseur DC/DC bidirectionnel du dispositif de stockage d'énergie peut être utilisé pour charger la batterie à partir des panneaux solaires ; une source d'alimentation alternative peut également alimenter la charge. Dans ce scénario, les besoins énergétiques se limitent à deux étapes de conversion : du convertisseur DC/DC solaire au convertisseur DC/DC bidirectionnel, puis du convertisseur DC/DC bidirectionnel à la charge.
L'architecture distribuée, illustrée à la figure 6, est plus flexible et peut gérer diverses exigences de charge. Le convertisseur DC/DC solaire peut être utilisé, par exemple, pour alimenter la charge en énergie, tandis que le convertisseur DC/DC peut être adapté aux besoins de cette dernière. L'inconvénient de cette option réside dans la présence systématique de deux conversions, bien qu'elle représente la meilleure solution si les panneaux solaires et la charge sont censés fonctionner simultanément.
Conception de circuit proposée.
Cette description générale de l'architecture d'alimentation peut être appliquée à un exemple simple de signalisation de danger à faible consommation pour les chantiers. De manière générale, les panneaux de signalisation fonctionnent uniquement la nuit et sont entièrement rechargés par la batterie le reste du temps. Ce fonctionnement permet l'utilisation d'une architecture de bus commune. Les panneaux étant uniquement en charge ou clignotants, la topologie peut être simplifiée en intégrant un convertisseur DC/DC solaire, un convertisseur DC/DC bidirectionnel et la régulation de charge dans un seul convertisseur bidirectionnel. La figure 6 illustre la conception de circuit proposée.
Ce circuit utilise un microcontrôleur Microchip PIC16F690 et deux contrôleurs PWM analogiques MCP1630 pour piloter un convertisseur flyback bidirectionnel. En journée, l'énergie solaire est utilisée pour charger la batterie ; la nuit, lorsqu'un avertissement de « faible ou absence d'énergie » apparaît sur le panneau solaire, le convertisseur alimente la LED selon un cycle de clignotement programmé. Les hypothèses et les calculs sous-jacents à cette conception sont résumés dans le tableau 1.
Conclusions :
La baisse du coût des installations solaires permettra à un plus grand nombre d’applications hors réseau d’accéder à l’énergie solaire. Le succès de ces nouveaux systèmes dépendra de l’équilibre entre avantages et inconvénients, taille et coût, ainsi que du choix d’une topologie adaptée à chaque application.
L'utilisation d'un microcontrôleur comme base de conversion d'énergie offre une grande flexibilité. Elle permet non seulement de prendre en charge un large éventail d'applications finales grâce à une conception de référence standard, mais garantit également la viabilité future de la conception face au développement de la prochaine génération de technologies solaires photovoltaïques.
Auteur:
Par Stephen Stella, directeur du marketing de gamme de produits, division des produits analogiques et d'interface, Microchip Technology Inc.
