Amélioration de la productivité et de la fiabilité d’un système photovoltaïque sous ombrage partiel

Ayache, Khedidja (2020). Amélioration de la productivité et de la fiabilité d’un système photovoltaïque sous ombrage partiel. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les chercheurs s’entendent pour reconnaître qu’un module photovoltaïque soumis à l’ombrage partiel continue de poser des défis de taille, particulièrement en ce qui concerne la fiabilité et la puissance électrique fournie. En effet, plusieurs enjeux techniques ayant un impact direct sur les performances du système photovoltaïque doivent être approfondis et repensés. Le but de cette recherche est donc de réexaminer l’exploitation d’un module photovoltaïque dans le contexte d’ombrage total ou partiel. Cette réflexion s'articulera notamment autour des quatre thèmes principaux suivants: l’approfondissement de la compréhension du comportement des cellules dans le deuxième quadrant de la caractéristique I-V, la détection de l’ombrage via la mesure des paramètres dynamiques des cellules, la protection contre les points chauds ainsi que la poursuite du point de puissance globale sous différents scénarios d’ombrages.

Nous aborderons, dans un premier temps, la classification des cellules solaires ainsi que l’étude des contraintes sur les cellules ombragées. Les contraintes apparaissent notamment lors du fonctionnement au 2e quadrant. Polarisées en inverse, ces cellules consomment une partie de l’énergie produite par les cellules éclairées. Nous démontrerons également les limites des diodes de contournement dans la prévention des points chauds.

Pour la deuxième étape, la mesure des paramètres dynamiques des cellules afin d’identifier celles qui sont ombragées est détaillée. Une procédure complète a été développée et testée au laboratoire. Les résultats obtenus sont très prometteurs. Toutefois, cette méthode ne sera pas retenue pour la détection d’ombrage pour des raisons de difficulté d’implantation en temps réel.

L’étape suivante se focalise sur la protection contre les points chauds. À cet effet, nous avons choisi une stratégie qui procure la meilleure protection qui consiste à isoler les sous-groupes ombragés. Toutefois, la déconnexion pose des défis de taille, notamment la détection du début et de la fin de l’ombrage et la poursuite du point de puissance maximale. Construit à l’aide de composants simples et standards, le circuit électronique que nous introduisons est en mesure de relever ces défis.

De plus, un autre élément a été considéré dans notre étude. Il s’agit de l’analyse du stress thermique des cellules ombragées lors de l’application des commandes de recherche de puissance globale. Les commandes que l’on retrouve dans la littérature sont complexes et impliquent, dans beaucoup de cas des méthodes heuristiques qui sont non seulement exigeantes en puissance de calcul, mais également sujettes aux risques de divergence. Ce qui est proposé, dans cette quatrième étape, c’est une nouvelle approche dénommée "Méthode d’Écrêtage de Tensions". Cette démarche est originale et constitue un complément aux techniques largement utilisées de courant de court-circuit fractionnel (FSCC) et de tension de circuit ouvert fractionnel (FOCV). Elle est facile à mettre en oeuvre et donne des résultats suffisamment précis et très rapide. En effet, en un nombre réduit d’étapes, il est possible de dresser un portrait clair de la situation d’ombrage, ce qui permet de localiser tous les points de puissance maximale locaux et global. Elle peut fonctionner de pair avec les techniques de protection contre les points chauds sans causer de stress thermique aux cellules ombragées, ce qui présente un grand avantage.

Titre traduit

Improving the productivity and reliability of a photovoltaic system under partial shade

Résumé traduit

Researchers agree that a partially shaded photovoltaic module still presents significant challenges, particularly with respect to reliability and power output. Indeed, several technical issues having a direct impact on the performance of the photovoltaic system must be deepened and rethought. The aim of this research is, therefore, to re-examine the operation of a photovoltaic module in the context of total or partial shading. This reflection will focus in particular on the following four main themes: a better understanding of cell behavior in the second quadrant of IV characteristic, detection of shading by measuring the dynamic parameters of cells, protection against hot spots and the tracking of the global power point under different shading scenarios.

We will address, in a first step, the classification of solar cells as well as the study of constraints on shaded cells. Constraints appear mainly during operation in the second quadrant Reversepolarized, these cells consume part of the energy produced by the lighted cells. We will also demonstrate the limitations of bypass diodes in preventing hot spots.

For the second step, measurement of the dynamic parameters of the cells, in order to identify those that are shaded, is detailed. A complete procedure has been developed and tested in the laboratory. The obtained results are very promising. However, this method will not be retained for the detection of shading due to the difficulty of real-time implementation.

The next step focuses on protection against hot spots. To this end, we have chosen a strategy that provides the best possible protection by isolating shaded subgroups. However, disconnection poses significant challenges, such as detecting the start and end of shading and the maximum power point tracking.While being built using simple and standard components, the electronic circuit we introduce can meet these challenges.

Another element was considered in our study. It is related to the analysis of heat stress in shaded cells when applying global power search rules. The algorithms found in the literature are complex. They involve, in many cases, heuristic methods that are not only demanding in terms of computing power but also subject to the risks of divergence. What is proposed in this fourth step is a new approach called "Voltage Clamping Method". This procedure is original and is a complement to the widely used techniques of fractional short-circuit current (FSCC) and fractional open-circuit voltage (FOCV). It is easy to implement and gives results that are sufficiently precise and very fast. Indeed, in a reduced number of steps, it is possible to achieve an accurate characterization of the shading situation, which makes it possible to locate all the locals and global maximum power points. It can work in conjunction with active hot spots protection techniques without causing thermal stress to the shaded cells, which is a great advantage.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 133-139).
Mots-clés libres:	système photovoltaïque, ombrage partiel, détection d’ombrage, commande MPPT, phénomène de points chauds, protection des panneaux, paramètres dynamiques d’un panneau
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chandra, Ambrish
Codirecteur:	Codirecteur Chériti, Ahmed
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 janv. 2021 16:44
Dernière modification:	11 janv. 2021 16:44
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2601

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