Photovoltaïque en contexte exigeant : estimation et optimisation de la ressource pour des alimentations électriques autonomes

Photovoltaic applications in demanding situations : estimation and optimisation of solar ressources for autonomous power supplies

• Auteur / Autrice : Kha Bao Khanh Cao
• Direction : Vincent Boitier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 27/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Sonia Ben Dhia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Alonso, Thierry Talbert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne Migan-Dubois, Vincent Debusschere

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes MPPT

Effet photovoltaïque

Mots clés libres

Photovoltaique

Maximum power point tracking

Prévision d'ombrage

Modélisation

Fish eye

Mppt

Photovoltaic

Maximum power point tracking

Shading forecast

Photovoltaic modelling

Mppt

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l’optimisation des systèmes autonomes de 10 à 100W alimentés par des panneaux solaires photovoltaïques en milieux complexes (forêt, vélo, drone …)L’estimation de l’énergie solaire récupérable pour des systèmes stationnaires fait l’objet du premier chapitre de ce mémoire. Lorsque les ombres sont simples (maison, poteau), l’estimation est aisée. Pour des ombrages complexes la prévision est plus ardue et nécessite la connaissance fines des obstructions, difficilement modélisables par des formes simples. Pour de tels cas, nous avons mené une étude utilisant un objectif peu onéreux de type « fisheye » associé avec un téléphone portable. Sur le site visé, une photo prise vers le ciel visualise les obstructions. Un script Python traite la photo et intègre ainsi les informations sur l'ombrage. Ce script associe aussi les données météorologiques du site et calcule la position du soleil. On obtient alors une estimation de l’irradiation horaire sur la période désirée. Des mesures expérimentales valident la méthode utilisée et montrent son intérêt. Ces estimations d’irradiation sont ensuite utilisé pour modéliser un système autonome (panneau solaire, batterie, charges, chargeur). Il fournit alors l’évolution de l’état de charge de la batterie ce qui permet une conclusion définitive sur la continuité d’opération souhaitée.Pour avoir le niveau de tension désiré, les cellules solaires sont associées en série. Lorsque l’irradiance reçue par les cellules est homogène, la caractéristique puissance-tension ne présente qu’un maximum. En revanche, sous des conditions d’ombrages partiels, plusieurs maxima locaux existent et nous cherchons à déterminer clairement leurs positionnements dans différentes conditions d’irradiance et température dans ce deuxième chapitre. Pour cela, le panneau solaire complet est modélisé avec l’aide de la fonction de Lambert et d’autres techniques d’optimisation pour le simuler sous une multiplicité de conditions expérimentales d’irradiances et de températures en un temps acceptable. L’analyse des résultats fournit, en supposant l’équiprobabilité des conditions possibles et à partir de résultats expérimentaux obtenus sur un système mobile, la distribution du maximum de puissance en fonction de la tension du panneau photovoltaïque. Nous avons également mis en place d’un modèle complet sous simulink d’un système autonome simple (panneau solaire avec 4 diodes bypass associé à un convertisseur buck qui recharge une batterie. Les entrées et sortie du microcontrôleur qui pilote le buck et la loi de commande du buck sont aussi modélisées). Le modèle est validé par comparaison avec un système expérimental réel. Il permettra de tester en simulation les lois de commande étudiées dans le chapitre suivant.Le troisième chapitre de cette thèse s’intéresse à l’optimisation à tout instant de la puissance photovoltaïque récupérable et plus particulièrement aux commandes recherchant le maximum de puissance global (GMPPT). Une large revue de littérature sur le sujet permet d’alimenter une étude critique de ces commandes GMPPT. Faute d’une procédure de validation permettant d’étudier la performance des algorithmes dans le contexte de recherche du maximum de puissance, une nouvelle approche est proposée pour simuler l’évolution de l’irradiance vue par chaque panneau solaire au fils du temps sous une ombre mobile. Un algorithme simple et peu gourmand en ressources de calcul est proposé, inspiré par la distribution observée dans le chapitre précédent. Une analyse expérimentale comparative est réalisée avec différents profils d’ombrages en implémentant cet algorithme et quelques algorithmes ayant le même niveau de complexité sur un convertisseur réel associé à un simulateur physique de panneau solaire piloté par ordinateur. Les résultats montrent l’intérêt mais aussi les limites de la commande proposée et plus généralement des commandes GMPPT.

This thesis focuses on the resource estimation and optimisation of autonomous power supplies ranging from 10 to 100W, powered by photovoltaic (PV) panels in complex environments (such as forests, bicycles, drones, etc.)The first chapter of this thesis deals with the estimation of available solar energy for stationary systems. Estimation is straightforward under simple shadows (like those cast by buildings or utility poles). However, for complex shading scenarios, shadow forecast becomes more challenging and requires a detailed understanding of obstructions that cannot be easily modelled with simple shapes. For such cases, a study was conducted using an inexpensive fisheye lens attached to a smartphone. A photo taken toward the sky captures the obstructions at the intended site. A Python script processes the photo, infers the shading information from the solar position in the photo to compensate the meteorological data from the site, and generates an hourly irradiation estimation over the desired period. Experimental measurements validated the approach and demonstrated its use case. These irradiation estimates are then used to model an autonomous system (solar panel, battery, loads, charger), providing insight into the evolution of the battery’s minimum state of charge which is a clear indicator of its capacity to ensure continuous operation.To achieve the desired voltage level, solar cells are connected in series. Under uniform irradiance, the power-voltage characteristics of the PV array has a single maximum. However, under partial shading conditions, multiple local maxima emerge. The second chapter addresses the distribution of these maxima's positions on the array’s full voltage range under different irradiance and temperature conditions. To achieve this, the PV module and string is modelled and optimised with the help of the Lambert function, as well as other optimisation techniques. This helps simulate its characteristics under a multitude of irradiance and temperature conditions in a reasonable time frame. Analysing the results, assuming equiprobability of possible conditions and based on experimental data from a mobile system, yields the distribution of the PV panel's global maximum power point (GMPP). Additionally, a comprehensive model of a simple autonomous system is established in Simulink, comprising a solar panel with 4 bypass diodes associated with a buck converter recharging a battery. The microcontroller measurement inputs, and the buck converter’s control are also modelled. This model was validated to have reasonable accuracy with experimental measurements, and it was used to quickly simulate shading management algorithms in the next section.The third chapter of this thesis delves into the real-time optimisation of solar power under partial shadings, particularly focusing the software-based global maximum power point (GMPPT) algorithms. A thorough literature review and a critical examination of these GMPPT controls were performed. Seeing a gap of validation methodology for the research context at hand, a new approach is proposed to simulate the varying irradiance perceived by each solar panel over time under moving shadows. A simple and lightweight algorithm is suggested and inspired by the distribution observed in the previous chapter. A comparative experimental analysis is conducted using various shading profiles, implementing this algorithm as well as some other algorithms with similar complexity on an actual converter connected to a computer-controlled physical solar simulator. The results highlight the merits and limitations of the proposed control approach and, more broadly, GMPPT algorithms.