Suivi du point de puissance maximale : optimisation des panneaux solaires

Lorsque vous envisagez d’intégrer un panneau solaire photovoltaïque dans un projet, l’hypothèse naïve serait que vous pointez simplement le panneau dans la direction générale de l’endroit où se trouve le Soleil, et il en sort des quantités d’énergie CC propre, prêtes à être utilisées pour charger une batterie. . Dans une certaine mesure, cette hypothèse est correcte, mais il est peu probable que l’alimentation de la sortie d’un panneau solaire dans quelque chose comme un ancien régulateur abaisseur ou élévateur PWM vous rapproche des spécifications complètes du panneau.

Les mots-clés ici sont «point de puissance maximale» (MPP), qui fait référence au point optimal sur la courbe IV du panneau solaire. C’est une propriété qui est importante non seulement avec le photovoltaïque, mais aussi avec les éoliennes et autres sources d’énergie très variables. Le suivi de ce point de puissance maximale est ce que l’on appelle généralement «MPPT», mais dans cet acronyme, de nombreux algorithmes différents sont couverts, chacun avec ses propres avantages et inconvénients. Dans cet article, nous examinerons quels sont ces algorithmes MPPT et quand vous voudrez en choisir un en particulier.

Courbes puissantes

Les spécifications des cellules solaires mentionnent généralement une tension en circuit ouvert et un courant de court-circuit. Entre ces extrêmes, la tension qu’une cellule solaire peut produire dépend de la quantité de courant qu’elle produit. Lorsque le courant consommé augmente, la tension qu’il peut produire diminue.

Pensez à une buse au bout d’un tuyau – plus vous laissez couler d’eau, moins il y a de pression à la sortie. Si vous le laissez grand ouvert, vous obtenez un débit maximal, mais il se déverse sur vos pieds. Si vous fermez un peu la buse, moins d’eau sort, mais elle vole plus loin.

La puissance est le produit de la tension et du courant, P = I * V, et c’est ce qui nous intéresse. Dans les spécifications, l’un des I ou V est égal à zéro, donc aucune puissance n’est produite. Entre ces cas, il existe une puissance maximale pour l’éclairement donné.

Exemple de courbes IV du panneau solaire PV.
Exemple de courbes IV du panneau solaire PV. La ligne verticale unique suit le MPP.

L’objectif d’un suiveur de point d’alimentation est de résister au flux de courant sortant de la cellule solaire afin qu’elle fonctionne à un courant et une tension intermédiaires qui maximisent sa sortie : ouvrir la vanne pour que l’eau pousse une roue hydraulique aussi vite que possible .

C’est cette simplicité qui cache également la complexité du MPPT : dans le cas d’un panneau solaire PV, son MPP changera continuellement à mesure que l’irradiation solaire change en raison du passage des nuages, de l’angle changeant du Soleil et de nombreux autres facteurs. Cela signifie que le MPP doit être mis à jour en permanence, ce qui signifie déterminer la tension optimale avec un sous-dépassement ou un dépassement minimal. Au fil des ans, un certain nombre d’approches différentes pour résoudre ce problème ont été développées.

Bien que certaines variantes et algorithmes MPPT personnalisés existent, les algorithmes suivants sont les plus populaires.

Courant continu

Une carte générique MPPT à tension constante CN3722.
Une carte générique MPPT à tension constante CN3722.

L’un des algorithmes MPPT les plus anciens et les plus élémentaires, le suivi de tension constante (CV), modifie le courant de sortie pour maintenir une tension de référence constante. Cette approche utilise une fraction définie de la tension en circuit ouvert, généralement autour de 80 %, ce qui signifie que techniquement, elle ne suit pas du tout le MPP.

C’est toujours une approche utile en raison de sa simplicité, mais elle offre une faible efficacité et souffre dans les situations où le panneau solaire est mal situé et ne voit pas le plein soleil. Les faibles exigences en font une cible idéale pour les solutions à puce unique à faible coût, telles que les circuits intégrés MPPT omniprésents de Consonance-Elec, tels que le CN3722 et le CN3791.

Une carte de base 5 A CV MPPT peut être obtenue dans une variété de formes génériques pour souvent moins de 10 $. Cela les rend idéaux pour les applications de loisirs et sensibles aux coûts où l’efficacité n’est pas primordiale, et un MPP approximatif est suffisant.

Perturber et observer

Cet algorithme MPPT est un véritable algorithme de suivi assez simple. Comme son nom l’indique, cet algorithme est basé sur le léger coup de pouce du point de consigne de courant MPP, mesurant le courant et la tension, déterminant si la puissance produite a augmenté ou diminué, et répétant le coup de pouce en conséquence.

Bien qu’assez efficace même sous cette forme de base, le principal problème avec l’algorithme de perturbation et d’observation est qu’il a tendance à osciller autour du MPP, ce qui réduira l’efficacité globale.

Pour que cet algorithme détermine s’il doit ajuster le point de consigne MPP, il doit changer ce point de consigne afin qu’il puisse observer l’effet de ce changement sous la forme de la puissance de sortie. Bien que cela suive le MPP optimal, il oscillera constamment autour de lui. Ici, rendre la taille de l’étape de réglage aussi petite que possible peut sembler une optimisation raisonnable, mais cela conduit le système à réagir très lentement lorsqu’un changement rapide se produit, comme un nuage obscurcissant le panneau PV.

Cette approche est une bonne solution intermédiaire entre l’approche simpliste à tension constante et quelque chose d’encore plus fantaisiste.

Conductance incrémentale

La conductance incrémentielle mesure les changements de courant et de tension pour prédire l’effet d’un changement de tension en utilisant la conductance du système (ΔI / ΔV) – la pente de la courbe de puissance. Là où perturber et observer prennent des pas de taille fixe et testent s’ils sont dans la bonne direction, la conductance incrémentielle modifie la taille du pas en fonction de sa distance par rapport à l’optimum. Cela a pour effet que lorsqu’il est déjà au MPP, la taille du pas passe à zéro et il reste simplement là.

Le calcul de la pente – le rapport des variations de tension et de courant – est plus sensible à l’erreur que la mesure des niveaux eux-mêmes. Ainsi, bien que la conductance incrémentielle utilise une meilleure stratégie d’optimisation, elle est également assortie des exigences matérielles les plus strictes, notamment des composants de précision et un contrôleur capable d’effectuer en permanence les calculs requis. Cela en fait un bon choix pour une application où l’efficacité est primordiale et le budget disponible suffisamment généreux pour faire face aux dépenses supplémentaires.

Que le début

Ce qui précède n’est qu’une introduction minimale sur MPPT et les trois algorithmes les plus courants, et le diable est dans les détails. Par exemple, dans les deux méthodes d’optimisation, que se passe-t-il si un oiseau passe juste au moment où vous avez perturbé la consigne ou pris un échelon de tension ? Vous pourriez conclure à tort que la modification que vous avez apportée a causé la diminution de puissance. La température et d’autres conditions du monde réel jouent également un rôle, de sorte que ce qui fonctionne sur papier peut ne pas fonctionner dans la pratique, ce qui explique la persistance de la méthode de la tension constante.

Mais rien de tout cela n’est si compliqué que vous ne devriez pas implémenter votre propre contrôleur MPPT. Un tel exemple se trouve pour le microcontrôleur STM32F334 dans la note d’application 5324 (AN5324), qui détaille le logiciel et les circuits nécessaires pour utiliser la minuterie haute résolution et d’autres périphériques comme l’ADC et l’ampli op intégré dans ce MCU pour implémenter ce qui est essentiellement un perturb -et-observer l’algorithme qui contrôle un convertisseur de mode de commutation LLC.

Alors qu’un contrôleur MPPT prêt à l’emploi est probablement le meilleur choix pour tout projet où les choses devraient fonctionner ™, ils forment également l’un de ces appareils intrigants qui sont à la fois très simples et aussi compliqués que vous le souhaitez, ce qui les rend pour une excellente idée de projet de passe-temps.