Le suivi global du point de puissance maximale (MPPT) fait référence à la capacité d'un onduleur à balayer périodiquement la courbe courant-tension (IV) d'un champ solaire pour trouver le point de fonctionnement auquel le champ produit le plus d'énergie. Cette fonctionnalité, associée à des diodes de dérivation à l'intérieur des panneaux solaires, peut avoir un impact significatif sur la production d'énergie pour les installations partiellement ombragées. Cet article couvre les concepts de MPPT global et de diodes de dérivation et explique comment Aurora met en œuvre ces fonctionnalités.
Diodes de dérivation
Dans les conceptions d'onduleurs de chaîne, le module capable de produire le moins de courant - en raison de l'ombrage, de la saleté ou d'une irradiation généralement plus faible - limite le courant de l'ensemble de la chaîne. En effet, les modules connectés en série doivent transporter la même quantité de courant, et si un module ne peut pas produire autant de courant qu'un autre, le courant de la chaîne ne peut pas être plus élevé que celui que le module le plus faible peut produire. Les modules les plus puissants se retrouvent ainsi en dessous de leur puissance maximale, ce qui se traduit par une énergie globale inférieure à celle qu'ils sont capables de produire de manière isolée.
Pour pallier ce problème, de nombreux fabricants de modules intègrent des diodes de dérivation Pour expliquer ce fonctionnement, examinons d'abord comment les diodes de dérivation fonctionneraient si elles étaient appliquées au niveau du module ; une fois que nous aurons compris le concept de base, nous l'appliquerons à la manière dont les diodes de dérivation fonctionnent lorsqu'elles sont connectées au niveau d'un sous-module. Prenons l'exemple de la figure 1, où une diode de dérivation unique est placée en parallèle avec chaque module d'une chaîne. Si un seul module est ombragé, sa diode parallèle permet de le contourner. court-circuiter afin que le courant plus élevé des modules non ombragés puisse circuler sans être réduit par le module ombragé. Le module le plus faible est effectivement court-circuité. Cela se traduit souvent par une puissance de sortie plus élevée. Prenons par exemple le cas où neuf des dix modules sont capables de produire 8 A de courant à une tension de 32,5 V, mais où l'un des dix modules est ombragé et ne peut produire que 1 A à peu près à la même tension. Si le module faible n'est pas contourné, la puissance de sortie totale est d'environ 10 * 32,5 V * 1 A = 325 W, car l'ensemble de la chaîne est contraint de fonctionner au courant le plus faible (notez que cela suppose que les modules non ombragés fonctionnent toujours à 32,5 V ; en réalité, ils fonctionneront plus près de leur tension de circuit ouvert). Si, toutefois, nous pouvons contourner le module ombragé, la puissance de sortie totale devient 9*32,5 V*8 A = 2 340 W, sans compter la petite perte de puissance due à la chute de tension de la diode. Il s'agit clairement d'un cas où nous voulons contourner le module ombragé et fonctionner à un courant plus élevé.
Fig. 1 : Illustration des diodes de dérivation en parallèle avec chaque module d'une chaîne. La borne positive de la diode (anode) est connectée à la borne négative du module, et la borne négative de la diode (cathode) est connectée à la borne positive du module.
MPPT global
Les courbes courant-tension (IV) et puissance-tension (PV) des panneaux solaires en conditions ombragées reflètent tous les points de fonctionnement possibles (dans notre cas simple, courant faible et courant élevé). La figure 2 montre un exemple de cette situation, où un point de puissance maximale "global" est trouvé lorsque le réseau fonctionne à un courant plus élevé et à une tension plus faible (≈22 V), et où un point de puissance maximale "local" est trouvé lorsque le réseau fonctionne à un courant plus faible et à une tension plus élevée (≈38 V) ; le premier se produit lorsque la diode de dérivation du module ombragé est "activée" et le second se produit lorsque la diode de dérivation du module ombragé n'est pas traversée par un courant. En définissant la tension de fonctionnement de la chaîne, l'onduleur peut décider du point de fonctionnement.
Fig. 2 : (à gauche) IV (bleu) et courbe PV (rouge) d'un champ solaire sans ombrage ; (à droite) IV (bleu) et courbe PV (rouge) d'un champ solaire avec ombrage, où l'activation des diodes de dérivation donne lieu à plusieurs points de fonctionnement possibles. Source de l'image : Digikey
Les onduleurs qui effectuent un suivi du point de puissance maximale (MPPT) ne sont pas tous capables de parcourir l'ensemble de la courbe IV pour trouver le point de fonctionnement qui permet d'obtenir la puissance la plus élevée possible, où certains modules peuvent être contournés. Certains onduleurs sont limités à la recherche du point de puissance maximale dans une région locale où il se trouve "habituellement" - il s'agit généralement de la solution haute tension où aucun module n'est contourné et, par conséquent, ce "point de puissance maximale" n'est potentiellement pas l'optimum global qui permet d'obtenir la plus grande puissance de sortie possible. La plupart des onduleurs résidentiels modernes sont capables de suivre le point de puissance maximale globale parce que l'ombrage dû aux arbres et aux obstacles est courant et attendu ; les grands onduleurs commerciaux pour les montages au sol, cependant, peuvent ne pas avoir cette fonctionnalité parce que l'on suppose généralement qu'il n'y a pas beaucoup d'ombrage.
La base de données des composants d'Aurora a été mise à jour pour indiquer quels onduleurs sont capables d'analyser la courbe IV pour trouver la puissance de sortie la plus élevée possible. Lorsque vous effectuez une simulation de performance Aurora avec un onduleur doté de la fonctionnalité "Global MPPT" (Fig. 3), Aurora localise un point de puissance maximale global où les modules les plus faibles peuvent être contournés. Si un module est contourné, Aurora modélise une chute de tension typique de 0,7 V par diode de contournement, en fonction du courant traversant la diode. Les modules de la base de données des composants d'Aurora ont également été mis à jour pour inclure des informations concernant le nombre de diodes de dérivation intégrées dans un seul module ; si un module contient trois diodes de dérivation et finit par être dérivé, il y aura par conséquent une chute de tension de 2,1 V à travers le module. La chute de tension de la diode multipliée par le courant de la chaîne est la perte de puissance associée à l'activation de la diode de dérivation. Cette perte de puissance est automatiquement prise en compte dans l'estimation des performances d'Aurora. L'efficacité du MPPT dans la recherche du point de puissance maximale globale, qui comprend le temps que le MPPT passe à rechercher la puissance maximale sans y fonctionner, n'est pas prise en compte. Si l'onduleur prend en charge le suivi "global" du point de puissance maximale, on suppose que l'onduleur fonctionne au point de puissance maximale globale pendant toute l'étape de simulation d'une heure.
Fig. 3 : Exemple d'un onduleur dans la base de données des composants d'Aurora avec la fonctionnalité "Global MPPT".
Pour l'instant, seuls les onduleurs fournis dans la base de données des composants d'Aurora avec une fonctionnalité MPPT globale pourront simuler des diodes de dérivation. Vous ne pourrez pas simuler un MPPT global avec des composants personnalisés.
Impact sur la production d'énergie
- Pour les sites fortement ombragés par des obstacles, des arbres et des bâtiments, un onduleur doté de la fonctionnalité MPPT globale est susceptible d'offrir une production globale plus élevée qu'un onduleur dépourvu de cette fonctionnalité. Les sites sans ombrage n'auront généralement pas de résultats différents, que l'onduleur dispose ou non d'un suivi de la puissance maximale globale, car en l'absence d'ombrage, il n'y a pas de raison de contourner les modules.
- Dans certains cas, il n'est jamais optimal d'activer les diodes de dérivation. Si, par exemple, une branche d'une conception comportant de nombreuses branches parallèles est ombragée, l'abaissement de la tension de la branche ombragée en contournant les modules abaisse la tension de toutes les branches parallèles, car ces dernières doivent avoir la même tension. Cela a pour effet de priver les "bonnes" chaînes de leur puissance maximale et pourrait se traduire par une puissance de sortie totale inférieure à celle obtenue dans le scénario où les modules ombragés ne sont pas contournés.
- Dans de rares cas, vous pouvez obtenir une production globale plus élevée si vous ne simulez pas les diodes de dérivation ou si vous utilisez un onduleur sans suivi global du point de puissance maximale. En effet, il est possible que les onduleurs - tant dans le monde réel que dans les simulations - restent bloqués dans des régions présentant un maximum local sur la courbe puissance-tension.
- Les diodes de dérivation ne remplacent pas l'électronique de puissance au niveau du module, comme les optimiseurs de courant continu ou les micro-onduleurs. Dans le meilleur des cas, une diode de dérivation annulera effectivement la contribution d'un module à la puissance. Un optimiseur de courant continu ou un micro-onduleur permet toutefois de récupérer autant d'énergie que possible à partir d'un module ombragé sans affecter les points de fonctionnement des autres modules de votre conception.