Simplifier les solutions d'alimentation photovoltaïques hors réseau grâce à des chargeurs/onduleurs intégrés

Par Steven Keeping

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de DigiKey

Les solutions d'alimentation hors réseau basées sur des panneaux photovoltaïques (PV) avec conversion optimale d'énergie (MPPT) sont de plus en plus populaires à mesure que les utilisateurs adoptent des sources d'énergie de substitution. Toutefois, ces systèmes sont complexes à installer et à configurer. La combinaison d'options nécessite plusieurs onduleurs et chargeurs, ce qui augmente les coûts.

Les concepteurs peuvent désormais simplifier et réduire les coûts de l'alimentation hors réseau et de la charge de batteries en utilisant une seule unité intégrée de charge CA/CC, d'inversion CC/CA et de dérivation CA.

Cet article passe brièvement en revue les applications d'alimentation hors réseau et les complexités de la charge avec panneaux photovoltaïques/MPPT. Il présente ensuite des unités intégrées de MEAN WELL pour montrer comment elles peuvent simplifier l'installation et le fonctionnement tout en réduisant les coûts. Une application domestique démontre les avantages de l'utilisation d'un produit intégré.

Qu'est-ce qu'une application d'alimentation hors réseau ?

L'alimentation hors réseau gagne en popularité, car la technologie a atteint un niveau de maturité tel que ces systèmes sont fiables, efficaces et rentables, ce qui permet aux utilisateurs de ne plus dépendre des fournisseurs d'énergie électrique.

Comme son nom l'indique, l'alimentation hors réseau provient de sources d'énergie hors fournisseurs d'énergie électrique, typiquement des panneaux photovoltaïques qui transforment la lumière du soleil en électricité. L'énergie éolienne est également une option.

Pour une autonomie totale vis-à-vis du réseau, les systèmes hors réseau nécessitent plusieurs composants clés :

  • Panneaux photovoltaïques : pour transformer la lumière du soleil en électricité CC
  • Chargeur MPPT solaire externe : pour optimiser le flux d'énergie vers les batteries afin de maximiser le stockage de l'énergie
  • Batteries : pour stocker l'énergie générée par les panneaux photovoltaïques
  • Onduleur CC/CA : pour convertir l'alimentation batterie en courant alternatif requis pour les appareils électroménagers

Si de nombreux utilisateurs aspirent à une autonomie énergétique totale, ils comprennent aussi que les panneaux photovoltaïques peuvent ne pas produire suffisamment d'énergie pour tous leurs systèmes domestiques et prennent donc la sage décision de souscrire un contrat auprès d'un fournisseur d'énergie électrique. L'entrée CA provenant du réseau est convertie en alimentation CC pour augmenter l'énergie des batteries (Figure 1).

Image d'un système d'alimentation hors réseau alimenté par des panneaux photovoltaïques (cliquez pour agrandir)Figure 1 : Système d'alimentation hors réseau alimenté par des panneaux photovoltaïques avec entrée CA de secours provenant d'un fournisseur d'énergie électrique. (Source de l'image : MEAN WELL)

Un système hors réseau autonome est pratique, mais il n'est pas simple à implémenter. L'installation et l'entretien demandent de l'attention, et l'ajout d'un retour d'énergie pour charger les batteries augmente la complexité. En supposant que les panneaux photovoltaïques soient montés dans la position optimale et avec le meilleur angle possible, et que les batteries aient une capacité suffisante pour stocker assez d'énergie pour alimenter le logement pendant les heures d'ensoleillement limité ou nul, le chargeur MPPT solaire externe, la charge CA/CC, l'inversion CC/CA et la dérivation CA constituent les éléments clés qui déterminent l'efficacité du système.

L'une des tâches de l'onduleur est de convertir l'électricité CC provenant d'un système composé de panneaux photovoltaïques et de batteries en sortie de 230 V/60 Hz. Un produit comme l'onduleur ISI-501-212B de MEAN WELL accepte une entrée de 12 VCC tout en offrant une sortie à onde sinusoïdale réelle de 450 W avec une distorsion harmonique totale (THD) < 3 % et une régulation CA de ±3 %.

Dans la configuration illustrée à la Figure 1, l'onduleur fonctionne comme un chargeur photovoltaïque MPPT, notamment avec les caractéristiques de charge à tension et courant constants exigées par les batteries plomb-acide. L'unité de MEAN WELL fournit un courant de charge jusqu'à 30 A avec une plage de tensions MPPT de 25 V à 50 V pour réalimenter les batteries plomb-acide ouvertes ou scellées.

Qu'est-ce que la conversion optimale d'énergie ?

La conversion optimale d'énergie ou MPPT est utilisée avec des sources d'alimentation variables comme les panneaux photovoltaïques afin d'optimiser l'extraction d'énergie lorsque les conditions changent. La MPPT relève les défis liés au rendement du transfert de puissance depuis la cellule photovoltaïque, qui varie en fonction du flux solaire, de l'ombre, de la température du panneau photovoltaïque et des caractéristiques électriques de la charge. Lorsque ces conditions changent, la caractéristique de la charge (impédance) qui offre le transfert de puissance le plus élevé change également. Le système est optimisé lorsque la caractéristique de la charge maintient le transfert de puissance au niveau de rendement le plus élevé, c'est-à-dire au point de puissance maximale (MPP). La conversion MPPT correspond au processus d'ajustement des caractéristiques de la charge lorsque les conditions changent afin d'atteindre le point MPP.

La plupart des systèmes MPPT modernes offrent un rendement de 93 à 97 % lors de la conversion. L'onduleur ISI-501-212B de MEAN WELL offre un rendement de conversion typique de 98 %.

La sortie du chargeur MPPT de l'ISI-501-212B est utilisée pour charger les batteries du système d'alimentation hors réseau en utilisant les sorties des panneaux photovoltaïques. Pour ce faire, un profil de charge défini à courant constant et tension constante utilise la technologie MPPT pour garantir la capacité la plus élevée de la batterie et optimiser son nombre de cycles de charge (Figure 2). L'étage tampon maintient la batterie à un niveau de charge presque total pour éviter l'autodécharge.

Graphique du profil de charge à courant constant/tension constanteFigure 2 : Profil de charge à courant constant et tension constante utilisant la conversion MPPT pour optimiser la capacité de la batterie tout en maximisant son nombre de cycles de charge. (Source de l'image : MEAN WELL)

L'importance des tensions CA à onde sinusoïdale pure

Même si le chargeur MPPT de l'ISI-501-212B est essentiel, il ne constitue qu'une partie du système d'alimentation hors réseau. Par exemple, l'inversion CC/CA est nécessaire pour convertir l'énergie des batteries plomb-acide ou lithium-ion (Li-ion) en tension CA requise par les appareils électroménagers. Ces appareils doivent être alimentés par des tensions CA à onde sinusoïdale pure afin d'éviter les défis électriques comme la correction du facteur de puissance.

Pour ce faire, l'onduleur CC/CA utilise un circuit à pont en H et des circuits de commande comme la modulation de largeur d'impulsion (PWM). La combinaison du pont en H et de la modulation PWM crée une tension moyenne proche d'une onde sinusoïdale. La modulation PWM est typiquement contrôlée par un ou plusieurs microcontrôleurs (MCU) et consiste à faire varier la largeur des impulsions pour créer une tension moyenne qui forme une onde sinusoïdale approximative. Une réduction supplémentaire de la distorsion harmonique peut être obtenue par un filtrage inductance-condensateur (LC), qui lisse la forme d'onde et produit une onde sinusoïdale plus nette.

Par exemple, l'onduleur continu NTN-5K-148 de MEAN WELL utilise des microcontrôleurs pour générer une onde sinusoïdale réelle avec une THD < 3 % (Figure 3).

Schéma de l'onduleur continu NTN-5K-148 de MEAN WELL (cliquez pour agrandir)Figure 3 : L'onduleur continu NTN-5K-148 utilise des microcontrôleurs pour générer une sortie CA à onde sinusoïdale réelle avec une THD < 3 %. (Source de l'image : MEAN WELL).

Solution universelle

Avec des panneaux photovoltaïques, un onduleur ISI-501-212B de MEAN WELL et un onduleur continu NTN-5K-148, les concepteurs peuvent créer un système hors réseau complet, mais l'onduleur continu offre encore plus de possibilités. Grâce à ce seul produit, un développeur peut fournir une charge CA/CC pour les batteries, une inversion CC/CA pour alimenter les appareils électroménagers, ainsi qu'une unité de dérivation CA.

Le NTN-5K-148 requiert une entrée de 48 V et produit une sortie de 110 VCA. Il peut fournir une puissance continue de 4000 W avec un rendement de crête de 93 %. Il fait partie de la série NTN-5K de MEAN WELL, qui comporte plusieurs variantes. Par exemple, le NTN-5K-2380 est un onduleur CC/CA à onde sinusoïdale réelle hors réseau haute fiabilité avec chargeur CA intégré et fonction d'alimentation secourue (dérivation CA). Ses fonctionnalités clés incluent une conception numérique avec contrôle par microcontrôleur, des circuits de commande simplifiés qui réagissent rapidement aux changements environnementaux et améliorent la fiabilité, un ventilateur haut de gamme avec faible bruit acoustique, une sortie continue de 5000 W et une sortie de 230 VCA à partir d'une entrée de 380 VCC. Il offre un rendement de crête de 94,5 % (Figure 4).

Image de l'onduleur CC/CA à onde sinusoïdale réelle hors réseau NTN-5K-2380 de MEAN WELLFigure 4 : Le NTN-5K-2380 est un onduleur CC/CA à onde sinusoïdale réelle hors réseau avec chargeur CA intégré et fonction d'alimentation secourue (dérivation CA). Il fournit une sortie continue de 5000 W et 230 VCA à partir d'une entrée de 380 VCC. (Source de l'image : MEAN WELL)

La série NTN-5K convient aux applications résidentielles, commerciales, maritimes, automobiles, minières, aux chantiers de construction et aux régions éloignées sans accès à l'électricité (Figure 5). La série est dotée d'une fonction intégrée de partage de courant actif et peut être connectée à jusqu'à 6 unités en parallèle pour fournir une puissance de sortie CA plus élevée.

Image d'une application domestique typique d'un onduleur NTN-5KFigure 5 : Application domestique typique d'un onduleur NTN-5K. (Source de l'image : MEAN WELL)

Conclusion

Les systèmes d'alimentation hors réseau sont intéressants en raison de l'indépendance qu'ils offrent. Toutefois, ces systèmes sont complexes à installer et à configurer. L'onduleur continu de MEAN WELL simplifie et réduit les coûts de l'alimentation hors réseau et de la charge des batteries en utilisant une unité intégrée de charge CA/CC, d'inversion CC/CA et de dérivation CA. Par exemple, la série NTN-5K de chargeurs/onduleurs gère les fonctions requises pour l'alimentation domestique hors réseau et la charge des batteries.

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À propos de l'auteur

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Steven Keeping

Steven Keeping is a contributing author at DigiKey. He obtained an HNC in Applied Physics from Bournemouth University, U.K., and a BEng (Hons.) from Brighton University, U.K., before embarking on a seven-year career as an electronics manufacturing engineer with Eurotherm and BOC. For the last two decades, Steven has worked as a technology journalist, editor and publisher. He moved to Sydney in 2001 so he could road- and mountain-bike all year round, and work as editor of Australian Electronics Engineering. Steven became a freelance journalist in 2006 and his specialities include RF, LEDs and power management.

À propos de l'éditeur

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