Améliorer l'efficacité énergétique : Le rôle des systèmes de stockage d'énergie dans l'intégration photovoltaïque
Rédigé par Omara Aziz Responsable mondial du segment technologique chez Arrow Electronics
Alors que le monde se tourne vers des sources d'énergie plus durables et renouvelables, l'énergie solaire s'est imposée comme un acteur clé du marché de l'énergie. Les systèmes photovoltaïques (PV) solaires sont largement adoptés par les propriétaires, les entreprises et les services publics pour leur capacité à générer de l'énergie propre tout en réduisant la dépendance aux combustibles fossiles et en diminuant les factures d'électricité. Cependant, l'un des défis de l'énergie solaire est sa nature intermittente. Le soleil ne brille pas toujours et, par conséquent, la production d'énergie peut être inconsistante. Le besoin d'onduleurs solaires à haute efficacité, densité de puissance améliorée et capacités de gestion de puissance accrues continue de croître. C'est là que l'intégration des systèmes de stockage d'énergie (ESS) avec les onduleurs solaires devient une solution révolutionnaire et puissante pour assurer un approvisionnement énergétique constant et fiable. À mesure que la technologie continue de s'améliorer et que les coûts diminuent, l'adoption de systèmes solaires plus stockage devrait croître, ouvrant la voie à un avenir énergétique plus durable et résilient. Cet article explore les avantages, les types et les considérations de topologie pour l'intégration du stockage d'énergie avec les systèmes PV dans les installations résidentielles et commerciales.
Comprendre les onduleurs solaires et le stockage d'énergie
Les onduleurs solaires sont le cœur d'un système photovoltaïque solaire. Ils convertissent le courant continu (DC) généré par les panneaux solaires en courant alternatif (AC) qui peut ensuite être injecté dans le réseau. En plus de la conversion, les onduleurs solaires gèrent le flux d'énergie, optimisent les performances du système et fournissent des mécanismes de sécurité pour protéger l'ensemble du système photovoltaïque. Les systèmes de stockage d'énergie (ESS) sont des technologies qui stockent l'énergie pour une utilisation ultérieure afin d'aider à équilibrer l'offre et la demande et améliorer la fiabilité du réseau. Ces systèmes peuvent stocker de l'énergie sous diverses formes, telles qu'électrique, chimique, mécanique et thermique. Il existe plusieurs types de ESS et ci-dessous sont les méthodes les plus courantes :
- Les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) tels que "Lithium-ion Batteries" sont largement utilisés en raison de leur haute densité énergétique, de leur efficacité et de la baisse des coûts. Courants dans le stockage réseau et les véhicules électriques.
- Les systèmes de stockage mécanique tels que "Pumped Hydro Storage" sont la technologie de stockage à grande échelle la plus établie. Ils impliquent le déplacement d'eau entre deux réservoirs à différentes altitudes. Ce type offre la forme de stockage d'énergie la plus grande capacité.
- Les systèmes de stockage thermique "Molten Salt Storage" sont utilisés dans les centrales solaires thermiques pour stocker la chaleur et générer de l'électricité lorsque cela est nécessaire. Ils sont utilisés dans des applications commerciales pour le stockage d'énergie à court terme.
Les avantages de l'intégration du stockage d'énergie avec les onduleurs solaires
L'intégration de l'ESS avec les onduleurs solaires confère indépendance énergétique et fiabilité. En stockant l'énergie solaire excédentaire, les utilisateurs peuvent réduire leur dépendance au réseau et garantir une alimentation électrique constante même lors de pannes ou de périodes de faible production solaire. Cela permet l'utilisation de l'énergie solaire stockée pendant les pics de demande ou lorsque les prix de l'électricité sont plus élevés, ce qui entraîne une réduction des coûts des services publics et minimise la pression sur l'infrastructure électrique. De plus, les systèmes de stockage d'énergie peuvent contribuer aux services de régulation de fréquence en stabilisant la fréquence du réseau et en améliorant la performance globale du réseau.
Segmentation des systèmes de stockage d'énergie
Les systèmes de stockage d'énergie peuvent être appliqués dans une large gamme de domaines. La segmentation des ESS est divisée entre Front-of-the-meter (FTM) et behind-the-meter (BTM). Les ESS FTM sont généralement liés à des systèmes de haute puissance supérieurs à 5 MW d'énergie. Un ESS stationnaire volumineux est utilisé ici, en commençant par la phase de génération, soit en combinaison avec des systèmes photovoltaïques (PV) à l'échelle des services publics ou des systèmes éoliens, passant à la phase de transmission et se terminant par la phase de distribution. Sur le côté droit se trouve le BTM ESS. Dans ce segment, les systèmes de stockage d'énergie sont en combinaison avec des systèmes PV résidentiels et commerciaux dans une gamme de quelques kilowatts à 5 mégawatts.
Types d'onduleurs solaires
Les onduleurs de chaîne fonctionnent en ajoutant des panneaux solaires ensemble avec des chaînes. L'énergie continue combinée des panneaux est envoyée à un seul onduleur qui la convertit en courant alternatif. Ils sont couramment utilisés dans les installations résidentielles, commerciales et à grande échelle. Les onduleurs de chaîne génèrent un courant alternatif monophasé ou triphasé à des niveaux de puissance élevés allant jusqu'à 200 kW. Les tensions des panneaux sont d'environ 600 V, suivies d'un convertisseur élévateur DC-DC pour fournir la tension de liaison DC pour un onduleur monophasé. Pour les onduleurs triphasés, la tension des panneaux de 1000 à 1500 Volts DC avec un convertisseur élévateur est utilisée. Les onduleurs de chaîne sont rentables et relativement simples à installer et à entretenir. Le problème peut survenir si un panneau dans la chaîne est ombragé ou sous-performant, alors les performances de l'ensemble du système peuvent être affectées. Inversement, les micro-onduleurs couplent chaque panneau avec son propre micro-onduleur et convertissent le courant continu en courant alternatif au niveau du panneau. Ces systèmes sont câblés en parallèle plutôt qu'en série comme les onduleurs de chaîne. Ainsi, si un panneau est ombragé ou sous-performant, cela n'impacte pas la production des autres panneaux. La puissance typique des micro-onduleurs est de 200 W à 1,5 kW avec une tension de champ photovoltaïque de 40 à 80 V. Ce type d'onduleur est idéal pour les systèmes résidentiels où les panneaux peuvent faire face à différentes directions. Les avantages des micro-onduleurs sont qu'ils maximisent la production de chaque panneau indépendamment. Par conséquent, l'impact de l'ombrage ou des décalages entre panneaux peut être minimisé. De plus, les micro-onduleurs offrent une surveillance détaillée de chaque panneau pour une meilleure maintenance et un suivi des performances. Le principal inconvénient est le coût initial élevé par rapport aux onduleurs de chaîne. L'intégration des systèmes de stockage d'énergie avec des panneaux solaires photovoltaïques donne lieu à un onduleur hybride. Ce type d'onduleur fonctionne dans les deux sens, l'énergie continue solaire générée est convertie directement en courant alternatif ou stockée avant la conversion en courant alternatif. Les onduleurs hybrides optimisent l'utilisation et le stockage de l'énergie en gérant le flux d'électricité entre les panneaux solaires, les batteries et le réseau. Ils peuvent être configurés pour donner la priorité à la charge des batteries, à l'interaction avec le réseau, ou à l'autoconsommation en fonction des préférences de l'utilisateur et des tarifs des services publics.
Systèmes de couplage de stockage d'énergie
Il existe deux approches différentes pour intégrer le stockage par batteries avec les systèmes solaires photovoltaïques. Le système de stockage d'énergie (ESS) couplé en CA et le système ESS couplé en CC. Chacun a ses propres avantages et inconvénients en fonction de l'application spécifique, de la configuration du système et des besoins de l'utilisateur. La distinction clé entre un système couplé en CA et un système couplé en CC réside dans le parcours de l'électricité une fois générée par les panneaux solaires.
Dans un système couplé par AC, le système photovoltaïque solaire et le système de stockage par batteries sont connectés via leurs onduleurs respectifs au réseau AC. Les panneaux solaires génèrent une puissance DC qui est convertie en AC par un onduleur solaire. Dans l'autre voie, le système de stockage par batteries est généralement équipé de ses propres étages bidirectionnels DC-DC et onduleur pour la charge et la décharge vers le réseau AC. Au contraire, dans le système couplé par DC, les panneaux solaires et le stockage par batteries partagent un bus DC commun et utilisent principalement un seul onduleur pour convertir la puissance DC en AC pour le réseau ou l'utilisation domestique. Les panneaux solaires peuvent être utilisés pour charger directement les batteries, puis la puissance DC stockée est convertie en AC par un onduleur hybride lorsque cela est nécessaire.
| Systèmes de batterie en couplage AC | Systèmes de batterie en couplage DC |
|---|---|
Avantages :
| Avantages :
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Inconvénients :
| Inconvénients :
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Topologies de puissance pour onduleurs solaires string et systèmes de stockage d'énergie
Différentes topologies de puissance peuvent être utilisées pour concevoir les étages du convertisseur DC/DC et de l'onduleur DC/AC. Différentes topologies offrent des avantages distincts et sont choisies en fonction des exigences de puissance, de l'efficacité, du coût et de la complexité. Voici quelques-unes des topologies de puissance les plus courantes :
Dans la première étape de conversion, le Maximum Power Point Tracking ou (MPPT) effectue les fonctions de traduction de la tension de la chaîne à un niveau adapté à l'onduleur. Typiquement, 400V pour monophasé et 800V pour triphasé. L'étage optimiseur de puissance MPPT DC-DC est conçu pour maximiser la production d'énergie d'un système PV solaire en optimisant individuellement la performance de chaque panneau solaire dans l'ensemble. Il ajuste la sortie du panneau à son point de puissance optimal avant d'envoyer l'énergie à l'étage onduleur. Cette optimisation est cruciale car la production d'énergie d'un panneau solaire peut varier en raison des changements de l'intensité lumineuse, de l'ombrage, de la température et des désaccords entre panneaux. La tendance actuelle est d'augmenter la tension du lien DC à 1000V ou 1500V, pour réduire les pertes de puissance dans le système ainsi que permettre d'ajouter plus de panneaux en série. En augmentant la tension maximale DC d'un onduleur solaire à 1500V ou plus, les centrales PV deviennent plus rentables. Les topologies typiques pour cette étape sont le convertisseur boost entrelacé et le Phase-Shift-Full-Bridge (PSFB), et le convertisseur LLC. La deuxième étape de conversion est le DC-DC bidirectionnel. Cette étape est utilisée pour charger ou stocker de l'énergie dans la batterie, et décharger ou libérer cette énergie lorsque nécessaire. Les topologies isolées typiques sont CLLLC et DAB. L'étage de puissance de l'onduleur effectue la fonction de conversion de la tension du lien DC en tension AC pour le réseau. Les topologies communes incluent deux niveaux B6 et H-bridge, et trois niveaux ANPC et HERIC. Les topologies d'onduleurs à plusieurs niveaux sont devenues populaires dans les applications moyennes et haute puissance. Les avantages de l'utilisation de topologies d'onduleurs à trois niveaux sont :
- Réduire la dissipation de puissance, ce qui conduit à un dissipateur thermique plus petit.
- Minimiser le ripple de courant, ce qui facilite le filtrage en raison du contenu harmonique plus faible.
- EMI conduit significativement inférieur.
Le convertisseur DC-DC à pont complet à déphasage ZVS
La topologie Zero voltage switching (ZVS) à décalage de phase en pont complet est recommandée dans une configuration de bus DC de 400V avec des MOSFETs en carbure de silicium (SiC) de 650V pour les interrupteurs Q1 à Q4 afin d'atteindre une haute efficacité et une haute densité de puissance. Les interrupteurs sont contrôlés avec une technique de décalage de phase qui permet de les allumer lorsque la tension les traversant est nulle. Cela réduit considérablement les pertes de commutation et les interférences électromagnétiques (EMI), ainsi que le stress sur les dispositifs semi-conducteurs. De plus, les diodes SiC de 650V sont le bon choix pour D1 et D2 du côté primaire. Dans le cas d'une configuration de bus DC de 800V, des MOSFETs SiC et des diodes SiC de 1200V doivent être sélectionnés. Du côté secondaire, pour les interrupteurs Q5 à Q8, le choix des interrupteurs de puissance dépend de la tension de la batterie.
Le convertisseur DC-DC CLLC
Une des topologies DC-DC bidirectionnelles les plus courantes est le convertisseur CLLC. Il utilise deux inducteurs (L) et deux condensateurs (C) dans un circuit résonant. L'agencement ressemble généralement à un circuit résonant "LLC" reflété des deux côtés, primaire et secondaire. Des SiC-MOSFETs sont utilisés pour les commutateurs Q1 à Q4, tandis que des MOSFETs en silicium (Si) sont sélectionnés pour Q5 à Q8. La conception CLLC atteint le ZVS pour les commutateurs du côté primaire, ce qui aide à réduire les pertes de commutation et à améliorer l'efficacité. Il peut atteindre une commutation à courant nul (ZCS) du côté secondaire pour améliorer encore l'efficacité en minimisant les pertes de commutation lors de la mise hors tension. Le convertisseur CLLC nécessite un contrôle précis pour gérer efficacement la fréquence de résonance et les séquences de commutation.
Le convertisseur DC-DC DAB
Le convertisseur DAB se compose de deux circuits en pont complet actifs sur les côtés primaire et secondaire, reliés par un transformateur haute fréquence. Comme la topologie CLLC, les deux ponts sont composés de commutateurs actifs qui permettent un flux d'énergie bidirectionnel. Typiquement, des SiC-MOSFETs sont utilisés pour les commutateurs Q1 à Q4 et des Si-MOSFETs pour Q5 à Q8. Le convertisseur DAB nécessite des algorithmes de contrôle sophistiqués pour gérer précisément le déphasage entre les ponts.
Le convertisseur DC-AC ANPC
En explorant davantage l'étage de l'onduleur, la topologie Active Neutral Point Clamped (ANPC) est une configuration d'onduleur avancée. Elle s'appuie sur la topologie conventionnelle Neutral Point Clamped (NPC) en ajoutant des commutateurs actifs qui aident à réduire les pertes de conduction et de commutation. L'onduleur ANPC peut produire plusieurs niveaux de tension, ce qui minimise le stress de tension sur chaque composant, et permet ainsi d'obtenir une sortie AC plus lisse avec une distorsion harmonique totale plus faible. Les commutateurs Q1 à Q4 fonctionnent à la fréquence du réseau tandis que Q5 et Q6 modulent à 50 kHz ou même plus. Dans l'ANPC, tous les commutateurs de puissance peuvent avoir une tension de claquage nominale de 600 ou 650 volts. En utilisant des SiC-MOSFETs pour les commutateurs Q5 et Q6, une augmentation de l'efficacité et de la densité de puissance peut être réalisée. Des algorithmes de contrôle avancés sont nécessaires pour l'onduleur ANPC. Cette topologie est plus complexe à concevoir et à contrôler par rapport à des topologies comme le pont en H.
Le convertisseur DC-AC H4 Bridge
La topologie en pont en H est populaire en raison de sa simplicité, de son efficacité et de sa polyvalence, car elle se compose de quatre éléments de commutation. Les SiC-MOSFET de 650V ou GaN-HEMT (transistors à haute mobilité électronique au nitrure de gallium) sont couramment utilisés pour la ligne de commutation rapide Q3 et Q4, tandis que pour Q1 et Q2, les Si-MOSFET avec diode de corps rapide sont le bon choix. Le principal inconvénient de cette opération à deux niveaux est qu'elle implique un filtre de sortie relativement grand, car elle régénère l'énergie lors de la roue libre vers le condensateur CC.
Onduleur DC-AC HERIC
La topologie HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) est particulièrement remarquable pour son efficacité élevée et ses performances supérieures dans la conversion du courant continu (DC) en courant alternatif (AC). Dans cette configuration, deux interrupteurs anti-parallèles Q5 et Q6 sont ajoutés à l'onduleur en pont en H conventionnel pour découpler le côté AC des modules PV à un stade nul. Six interrupteurs composent cette topologie, dans laquelle les quatre sur le pont en H (Q1 à Q4) commutent à haute fréquence et les deux interrupteurs externes commutent à la fréquence du réseau. Les interrupteurs Q5 et Q6 font passer le courant de roue libre par le trajet le plus court pendant la période où la tension de sortie de l'onduleur en pont en H est nulle. Le principal avantage de l'onduleur HERIC est que seuls deux interrupteurs fonctionnent simultanément dans tous les modes de fonctionnement.
Les dispositifs à large bande interdite (WBG) offrent des avantages clairs pour les topologies de convertisseurs bidirectionnels DC-DC et d'onduleurs DC-AC. Les dispositifs en SiC et GaN ont des charges de recouvrement inverse (Qrr) très faibles ou même pas de diode de corps, ce qui élimine la commutation dure ou les pertes de recouvrement inverse.
Considérations d'installation et de maintenance
Le dimensionnement approprié du système photovoltaïque solaire et du système de stockage d'énergie est crucial pour une performance optimale. Cela implique de calculer les besoins énergétiques, la production des panneaux solaires et la capacité de batterie requise. Un surdimensionnement ou un sous-dimensionnement peut entraîner des inefficacités et des coûts plus élevés. La compatibilité de l'onduleur solaire et du système de stockage par batterie est vitale. Certains fabricants offrent des solutions intégrées qui simplifient l'installation et le fonctionnement. La compatibilité s'étend également aux logiciels et aux systèmes de surveillance qui gèrent le flux d'énergie global et la performance.
Conclusion
L'intégration du stockage d'énergie avec les systèmes photovoltaïques solaires représente un progrès significatif dans notre manière de capter et d'utiliser l'énergie solaire. Fournir un approvisionnement en énergie fiable et constant réduit la dépendance au réseau et maximise l'utilisation de l'énergie solaire. Ces systèmes offrent de nombreux avantages économiques et environnementaux. Les dispositifs de puissance SiC et GaN permettent le flux bidirectionnel pour les topologies de redressement synchrone tout en atteignant une haute efficacité et une densité de puissance élevée. Arrow Electronics a toujours été centré sur la promotion de l'efficacité énergétique et nous sommes impatients de contribuer à cette discussion en démontrant les avantages clairs de l'option des dispositifs SiC 650V, 1200V et 2200V avec des cartes de référence qui facilitent l'effort de conception et réduisent les délais de mise sur le marché.
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