1

ADREAM,

Un bâtiment expérimental Une plateforme ouverte

Un programme de recherche

Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – Vendredi 14 décembre 2012

Corinne ALONSOProfesseur des Universités

ADREAMAxe transverse de recherche du LAAS-CNRS

� Capteurs et actionneurs de tous types � Température du bâtiment, des façades, extérieure

� Présence, déplacement

� Courant, tension, puissance active, réactive

� etc

� Câblage complet totalement accessible � Réseau haut débit

� Réseau sans fil

� Gaine de câblage en haut des murs

� Robots ou équipements mobiles se déplaçant dans le bâtiment� Plans inclinés, ascenseur, …

� Portes commandables

� Nécessité de modifications dynamiques de l’environnement� Pour la topologie de la salle d’expérimentation : grande salle modulable

� Pour les propriétés du réseau sans fil : atténuation du signal intégré

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 2

Les Smart Grids introduisent

un dialogue bi-directionnel où

l’énergie et l’information

peuvent être échangés entre

les producteurs

et les consommateurs

W. Saad, et al., "Game-Theoretic Techniques for Smart Grid Design," IEEE Signal Processing Magazine, Special Issue on Signal Processing Techniques for the Smart Grid, 2012.

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 3

Energie pour le bâtiment

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 5

6

Vue générale du bâtiment

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 6

Puissance installée : 100kWc

A la réalisation !

Aspect PhotovoltaïqueConstitution de l’installation

� Zone 1 : façade photovoltaïque ( 36kWc )� Puissance unitaire : 529Wc Scheuten

� 50% de modules bi-verre, cellules en silicium

cristallin

� 50% de modules bi-verre isolés, avec lame d’air,

cellules en silicium cristallin

� Zone 2 : Toiture expérimentale ( 35kWc )� Puissance unitaire : 250Wc Tenesol

� Inclinaisons variable ou fixe

� Zone 3 : Toiture « R+2 » ( 29kWc )� Puissance unitaire : 250Wc Tenesol

� Inclinaisons fixe à 10°

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 7

Aspect PhotovoltaïqueFaçade photovoltaïque : 36kWc

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 8

Aspect PhotovoltaïqueFaçade photovoltaïque : 330 m2

Façade photovoltaïque : 36 kW c équipée de cellules en Si cristallin

50% de modules bi-verre

50% de modules bi-verre isolés, avec lame d’air dites tri-verre

Marque : Scheuten, 144 cellules par panneau (17cm*8cm)

Puissance unitaire : 529 Wc

ImplantationOrientation plein Sud, Inclinaison : 65°

Projet de recherche proposé au CNRS (INSIS) en 2011Réseau de capteurs pour l’étude de l’influence de la température

sur le rendement des cellules

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Aspect PhotovoltaïqueToiture expérimentale

� Toiture expérimentale R+1 : 19,2 kWc Tenesol

� Supports lestés à inclinaison réglable (0 →→→→

90°)

� Modules verre-tedlar en silicium cristallin

� Puissance élémentaire : 250Wc

� Terrasse modulable

� Façade Tri-verre : 2,1 kWc Scheuten

� 144 cellules par panneaux ( 17cm * 8cm)

� Puissance unitaire : 529Wc

� Bardage Verre Tedlar : 13,4 kWc� Supports fixes à 90°

� Modules verre-tedlar en silicium cristallin

� Puissance élémentaire : 250Wc

� Toiture R+2 : 25 kWc Tenesol

� Supports lestés à inclinaison fixe 10°

� Modules verre-tedlar en silicium cristallin

� Puissance élémentaire : 250Wc

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 10

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 11

� Mode chaud : 2 PAC pour des besoins max. estimés à 75kW

� Introduction d’un ballon tampon de grande capacité (1000L),

permettant de limiter les démarrages des équipements de

production

� 3 circuits de distribution :

� CTA hygiénique et les unités terminales des laboratoires,

� Ventilo-convecteurs des bureaux et des pièces communes

� Ventilo-convecteurs de la galerie photovoltaïque

� Mode froid : 3 PAC pour des besoins max. estimés à 135kW

� Introduction d’un ballon tampon de grande capacité (1000L),

permettant de limiter les démarrages des équipements de

production

� 2 circuits de distribution :

� CTA hygiénique et les unités terminales des laboratoires

ainsi que des locaux nécessitant un refroidissement

� Ventilo-convecteurs des bureaux et des pièces communes

PAC

PAC

Ballon

Tampon

froid

Ballon

Tampon

chaud

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 12

Ventilation – Air hygiéniquePrincipe de fonctionnement

� Apport d’air neuf assuré par une CTA de 6000m 3/h

� Association d’autres éléments à la CTA� Puits canadien adapté pour

3000m3/h

� Echangeur rotatif haute efficacité

� Caisson de mélange

� Gestion de l’apport d’air : géré par

sonde CO2

� Apport variable selon taux

d’occupation du bâtiment (de 1000

à 3000m3/h)

� Trois cheminements possibles :� Puits canadien (économie d’énergie

entre 10 et 15% par rapport à de

l’air neuf non traité)

� Façade photovoltaïque (réchauffage

naturel de l’air par les panneaux

photovoltaïques)

� Extérieur par Free Cooling

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 13

Systèmes optimisés de conversion

de l’énergie électrique pour le photovoltaïque

Approche électrique de la chaîne de conversion photovoltaïque

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 14

Thèse CIFRE EDF A. Cid-Pastor Toulouse, 29 septembre 2006, Prix du club EEA 2007, Prix de l’académie des scien ces et belles lettres, Prix de l’UPC Barcelone

CHAINE DE CONVERSION PV & MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT)

CONVMPPTPVTOTAL ηηηη =Rendement Global du Système

][

][

WP

WP

INCONV

OUTCONVCONV

−

−=η²][²]/[

][

mAmWG

WPMAXPV ⋅

=η ⋅= −][

][

WP

WP

MAX

INCONVMPPTη

Qualitée de l’adaptation Pertes du convertisseur

MESURES DES RENDEMENTS

Transformateur DC

GPV

PMAX

G

Commande MPPT

Cha

rge

DC

I PV

VPV

Rapport Cyclique D

V1

I1

+

-

V2

+

-

I2

ETAGE D’ADAPTATION SELON LE CONCEPT DE TRANSFORMATEUR DC

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 15

MPVE BASE SUR LE CONVERTISSEUR SURVOLTEUR BOOST� RELEVÉ EXPERIMENTAL: REGIME ETABLI (BAT=24 V)

vC

PPV

VPV

IPV

VBAT

⋅= −][

][

WP

WP

MAX

INCONVMPPTη

%4.99=MPPTη

ETAGE D’ADAPTATION SELON LE CONCEPT DE TRANSFORMATEUR DC

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 16

StructureFréquence

de découpage

Puissance fournie Batterie

Rendement de

conversion

Rendement MPPT

Rendement Total

Buck 130 kHz 51 W 12 V 93 % 98.7% 91.8 %

Boost (1) 150 kHz 55 W 24 V 92 % 99.2 % 91.2 %

Boost(2) 280 kHz 61 W 24 V 90.5 % 99.3 % 89.8 %

Cuk 133 kHz 56 W 12 V 89 % 98.2 % 87.4 %

Cuk 133 kHz 55 W 24 V 83.2 % 98.4 % 81.8 %

Flyback 140 kHz 52 W 24 V 78.1 % 98.3 % 76.7 %

Flyback 140 kHz 49 W 12V 74 % 98.4 % 72.8 %

Flyback 140 kHz 49.7 W 48V 70.5 % 98.4 % 69.3 %

RENDEMENTS DES DIFFERENTES STRUCTURES DE CONVERSION FONCTIONNANT COMME TRANSFORMATEUR DC EN ETAGE D’ADAPTATION GPV-B AT

CONVMPPTTOTAL ηηη =

ETAGE D’ADAPTATION SELON LE CONCEPT DE TRANSFORMATEUR DC

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 17

Développement de bancs de

mesure spécifique

(Pb, Li, PAC, Super-Cap)

� Redondance des sécurités électroniques

� Surveillance temps réel

� Bilans énergétiques

� Analyse de défaillances

Ex de banc

d’expérimentation

i,vi,vi,vi,v

θ θ θ θ température

iiii courant

vvvv tension

Mesures

Sécurité

DC

DC

i,v,i,v,i,v,i,v, θ θ θ θ i,vi,vi,vi,v

i,vi,vi,vi,v

MLiPV

DC

DCPV

PBLi

Pack

Batterie

Li-ion

MPPT

Sécurité

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θ

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θi,v,i,v,i,v,i,v, θ θ θ θ i,vi,vi,vi,v

i,vi,vi,vi,v

MLiPV

DC

DCPV

PBLi

Pack

Batterie

Li-ion

MPPT

Sécurité

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θ

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θ

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θ

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θ

i,v,i,v,i,v,i,v, θ θ θ θ i,vi,vi,vi,v

i,vi,vi,vi,v

MLiPV

DC

DCPV

MPPT

Sécurité

Pb / Li

Domaines

d’interventions

Ancienne Plateforme

expérimentale

Entrepôt de sécurité

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 18

08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:000

100

200

300

400

500

600

700

800

Eclairement (Pyranomètre Silicium) [W/m²]

Temps [h]

Ecla

ire

me

nt

[W/m

²]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

Courant PV [A]

Co

ura

nt [A

]

08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:000

100

200

300

400

500

600

700

800

Eclairement (Pyranomètre Silicium) [W/m²]

Temps [h]

Ecl

air

em

en

t [W

/m²]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

Courant PV [A]

Co

ura

nt [A

]

Architecture de conversion photovoltaïque

Journée ensoleillée Journée nuageuse

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 19

Architecture de conversion photovoltaïque

Batiment ADREAM Caractéristiques électriques du GPV

Journée nuageuse :

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 20

Architecture de conversion photovoltaïque Bâtiment ADREAM Caractéristiques électriques du GPV

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Le Générateur Photovoltaïque Cellule photovoltaïque : protection par Diode By-Pass

+

-

IPV

VPV

VCO= ΣΣΣΣ VCOi

ICC= ΣΣΣΣ ICCi

Caractéristique du générateur

lorsque les cellules sont identiques

sans effet des diodes de protection

Caractéristique du générateur

lorsque les diodes de protection

isolent un module faible

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 22

Applications connectées réseauTopologie « Multi-String Topology »

� AVANTAGES:� Recherche de la puissance maximale du string� Accepte la mise en parallèle de plusieurs strings e n

gardant toutes les performances� Triphasé ou monophasé

� INCONVENIENTS:� Surcoût lié à l’électronique de puissance

� Deux étages de conversion en cascade:� Un convertisseur DC-DC avec MPPT connecté à

chaque string� Mise en parallèle des convertisseurs DC-DC sur

l’entrée d’un seul onduleur

De nos jours, topologie en pleine expansionDe nos jours, topologie en pleine expansion

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 23

Applications en Sites IsolésAutre topologie en cours de développement

� Evolution des alimentations pour calculateurs embarqués

+ 5 V

1.6 V

-12 V

Centralised

ConverterSystem Cards

AC

~

Power

Source

- Centralisée

- Partiellement discrétisée

- Totalement discrétisée

AC

~

Power

Source

Primary

Power Supply

System Card

Isolated DC/DC

Converters

DC/DC

Bus

AC

~

Power

Source

Primary

Power Supply

System Card

Secondary

Isolated

Converter

DC/DC Bus

Non isolated PoL

converters

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 24

Applications en Sites IsolésAutre topologie en cours de développement

� Application au photovoltaïque

DC

AC

MPPT

Output

Output

MPPT

DC

DC

MPPT

DC

DC

MPPT

DC

DC

MPPT

DC

DC

MPPT

DC

DCArchitecture Actuelle Nouvelle architecture

développée par le LAAS

300V

22V

DC

AC

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 25

Applications en Sites IsolésAutre topologie en cours de développement

Convertisseur Boost Faible Puissance

Avec Commande MPPT Semi-Numérique

2005-2009

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 26

Développement d’un banc de mesure spécifique

� Redondance des sécurités électroniques

� Surveillance temps réel

� Bilans énergétiques

� Analyse de défaillances

Résultats expérimentaux

Plate forme expérimentale du LAAS

Banc

d’expérimentation

i,vi,vi,vi,v

θ θ θ θ température

iiii courant

vvvv tension

Mesures

Sécurité

DC

DC

i,v,i,v,i,v,i,v, θ θ θ θ i,vi,vi,vi,v

i,vi,vi,vi,v

MLiPV

DC

DCPV

PBLi

Pack

Batterie

Li-ion

MPPT

Sécurité

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θ

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θi,v,i,v,i,v,i,v, θ θ θ θ i,vi,vi,vi,v

i,vi,vi,vi,v

MLiPV

DC

DCPV

PBLi

Pack

Batterie

Li-ion

MPPT

Sécurité

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θ

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θ

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θ

i,v,l,i,v,l,i,v,l,i,v,l, θ θ θ θ

i,v,i,v,i,v,i,v, θ θ θ θ i,vi,vi,vi,v

i,vi,vi,vi,v

MLiPV

DC

DCPV

MPPT

Sécurité

Pb / Li

Domaines

d’interventions

Plate forme

expérimentale

Entrepôt de sécuritéCorinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 27

Systèmes optimisés de conversion

de l’énergie électrique pour le photovoltaïque

Perspectives, Quels challenges pour le futur ?...

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 29

Quels challenges pour le futur ?L’évaluation réelle des performances des systèmes

� Les panneaux PV doivent être considérés comme des éléments architecturaux� Concilier Intégration bâti et performances électriques

� Quels sont les rendements des constituants dans cette optique ?

� L’évaluation des constituants des chaînes de conversion doit être faite en

conditions réelles de fonctionnement� Données solaire, inclinaison, etc…

� Refroidissement, ventilation, etc…

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 30

Quels challenges pour le futur ?L’évaluation réelle des performances des systèmes

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 31

Quels challenges pour le futur ?Le stockage

Les Energies Renouvelables sont intermittentes

Intérêt du stockage pour les réseaux électriques à fort taux d’énergie renouvelable

� Maximiser la productivité� Lisser les pics de consommation journaliers� Sécuriser le réseau

Consommation

Production PV + Stockage

Temps

W

Corinne Alonso – Journées Nationales du Photovoltaïque 2012 – Chanti lly – 14 décembre 2012 33

Systèmes optimisés de conversion

de l’énergie électrique pour le photovoltaïque

Merci pour votre attention!

Corinne Alonso – Journées Fédesol Junior 2012

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