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Introduction

Aujourd’hui, la production d’électricité à partir de sources renouvelables est répandue et constitue un secteur en constante croissance dans le monde entier. Le changement climatique nous a tous amenés au fil des ans à promouvoir des politiques visant à limiter l’impact des activités humaines sur l’environnement et à rechercher de nouvelles sources d’énergie ayant un faible impact environnemental.

Parmi les différentes sources renouvelables existantes, le photovoltaïque est l’une des plus populaires car le soleil est une source d’énergie présente sur toute la planète.

La technique MPPT (Maximum Power Point Tracking)

Comme mentionné ci-dessus, le photovoltaïque est considéré comme l’une des énergies renouvelables les plus fiables et les plus prometteuses pour l’avenir. Cependant, comme les rendements ne dépassent pas encore – au moment de la rédaction du présent rapport – 20 %, il est très important d’essayer d’optimiser l’énergie maximale possible de ces générateurs. Une technique adoptée dans les convertisseurs est la technique MPPT.

Le MPPT (Maximum Power Point Tracking) est une technologie largement utilisée dans les systèmes photovoltaïques pour optimiser l’efficacité énergétique des panneaux solaires. Chaque module solaire a un point de puissance maximale, qui varie en fonction des conditions environnementales telles que la lumière du soleil (irradiance solaire) et la température. L’objectif principal du MPPT est de localiser et de maintenir le système d’exploitation à ce stade, afin de maximiser la puissance extraite des panneaux solaires.

Vue d’ensemble d’un système PV (photovoltaïque)

Un module photovoltaïque produit une courbe caractéristique qui relie la tension et le courant (courbe I-V), à partir de laquelle la courbe de puissance (courbe P-V) est dérivée. Le point où la puissance est maximale, appelé MPP (Maximum Power Point). Cependant, comme ce point varie en fonction de facteurs environnementaux tels que l’intensité et la température de l’irradiation solaire, des algorithmes dynamiques doivent être utilisés pour le suivre constamment.

Algorithmes des MMPT

Il existe plusieurs algorithmes utilisés pour le MPPT, mais les plus courants sont :

Perturb and Observe (P&O)
Incremental Conductance (INC)
Fuzzy Logic & Neutral Networks

Parmi eux, l’algorithme Perturb and Observe (P&O) est le plus simple et le plus utilisé en raison de sa facilité d’implémentation et du bon compromis entre performance et efficacité. Pour cette raison, nous allons nous concentrer sur cet algorithme plus en détail.

L’algorithme P&O (Perturb et Observe)

Le principe de fonctionnement est relativement simple :

Une petite perturbation est appliquée à la tension ou au courant du système.
La puissance résultante après la perturbation est mesurée.
Si la puissance augmente, la perturbation est maintenue.
Si la puissance diminue, la perturbation est modifiée.

En d’autres termes, si un changement de tension est introduit et que celui-ci augmente la puissance, l’algorithme continuera à varier la tension dans le même sens. Si la puissance diminue, le sens du changement de tension sera inversé.

Description détaillée des étapes du P&O

Mesure initiale

Au début, l’algorithme mesure la tension et le courant provenant du panneau solaire et calcule la puissance de sortie.

Perturbation

L’algorithme introduit une petite perturbation à la tension (par exemple, une petite augmentation ou diminution de la tension).

Nouveau calcul de puissance

Après la perturbation, l’algorithme mesure de nouveau la puissance. À ce moment-là, il compare la puissance actuelle avec la précédente.

Comparaison

Si la nouvelle puissance est supérieure à la puissance précédente, cela signifie que la perturbation a fait approcher le système vers le point de puissance maximale. Par conséquent, l’algorithme continuera à perturber dans la même direction.

Si la nouvelle puissance est inférieure, l’algorithme changera de direction et commencera à perturber dans la direction opposée.

Itération

Ce processus est répété en continu jusqu’à ce que le système converge sur le point de puissance maximale, s’adaptant aux changements des conditions environnementales.

Schéma de fonctionnement simplifié

Ce processus est illustré dans le schéma ci-dessous :

Avantages de l’algorithme P&O

Simplicité

L’algorithme est facile à mettre en oeuvre tant au niveau du logiciel que du matériel, ce qui le rend populaire pour les applications à faible coût.

Efficacité

Malgré sa simplicité, l’algorithme est capable de suivre le point de puissance maximum avec de bons résultats, en particulier dans des conditions d’irradiance stables.

Souplesse

Il peut être appliqué à un large éventail d’applications photovoltaïques.

Inconvénients de l’algorithme P&O

Oscillations autour du MPPT

En raison de la nature itérative de l’algorithme, le système ne converge pas exactement sur le MPP mais oscille autour de celui-ci. Cela peut réduire légèrement l’efficacité globale du système.

Performances réduites dans des conditions variables

Lorsque les conditions d’irradiance changent rapidement (par exemple, en raison des nuages), l’algorithme peut ne pas être assez rapide pour suivre le nouveau point de puissance maximale.

Erreur de convergence.

Dans certaines situations, surtout lorsque le changement de puissance est faible, l’algorithme peut ne pas déterminer correctement la direction optimale de la perturbation.

Optimisation de l’algorithme P&O

Bien que les exemples de simulation ne soient pas représentés dans cet article, plusieurs optimisations ont été développées pour surmonter certaines des limitations ci-dessus. Si l’un d’entre eux est nécessaire et quels sont les priorités deviennent des décisions spécifiques à l’application pour le concepteur de micrologiciel. Si nécessaire, veuillez consulter les textes spécialisés pour la discussion de ces algorithmes optimisés.

Perturbation adaptative

Au lieu d’utiliser une perturbation fixe, la taille de la perturbation peut être adaptée en fonction de la distance du MPP. De cette façon, près du point de puissance maximale, la perturbation peut être réduite pour minimiser les oscillations.

Algorithmes hybrides

Certains systèmes combinent P&O avec d’autres algorithmes, tels que INC (Incremental Conductance), pour améliorer la vitesse de réponse et la précision dans des conditions d’irradiance variables.

Simulation Proteus

Un projet exemple pour la simulation et l’apprentissage du MPPT dans Proteus VSM peut être téléchargé ci-dessous.

L’exemple utilise des modèles de simulation fournis dans la bibliothèque Proteus standard. Par exemple, ARDUINO UNO, Panneau photovoltaïque (PV), INA286 pour mesurer les courants d’entrée et de charge et autres.

Dans le circuit, L1, D2, Q1 et C6//C2 représente un circuit de convertisseur de surtension CC-CC pour lequel :

D = 1-(Vs/Vo) ; L1 = Vs D/ Δ Io f; C6//C2 = Vo D/ ΔVo Rf ;

où :

D : Cycle de travail

Vs : Tension d’entrée des panneaux solaires photovoltaïques

Vo : tension de sortie côté charge

Δ Io : Ondulation du courant de sortie

Δ Vo : Ondulation de la tension de sortie

Le convertisseur élévateur (Converter Boost) est piloté en mode MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion) par la broche ARDUINO (IO5) et ceci fournit la perturbation utilisée pour suivre le MPP. Le circuit affiche les résultats de la simulation en temps réel, sur un écran LCD alphanumérique à 16 colonnes et 4 lignes, et sur quelques graphiques d’analyse.

La variation de l’irradiance solaire est simulée par un générateur PWlin qui injecte le signal dans le modèle de simulation du panneau photovoltaïque à travers une broche cachée appelée IRRADIANCE. Ce signal est proportionnel à l’irradiance solaire de sorte que 1V = 1 W/m^2. Le modèle de simulation du panneau photovoltaïque fournit donc une tension de sortie variable correspondant à sa courbe caractéristique I/V proportionnelle à l’irradiance solaire elle-même.

Ensuite, dans le code source d’ARDUINO UNO, la variable « deltaPower » détermine la taille de la perturbation. S’il est trop grand, le système convergera plus rapidement mais oscillera excessivement autour du MPP (Maximum Power Point). D’autre part, si elle est trop petite, la convergence du système sera trop grande et le système répondra trop lentement aux variations soudaines de luminosité ambiante.

Conclusion

L’algorithme MPPT P&O (Perturb and Observe) représente une solution simple et efficace pour le MPPT dans les systèmes photovoltaïques. Bien qu’il présente certaines limites, telles que les oscillations autour du point de puissance maximale et la dégradation des performances dans des conditions variables, il reste un choix populaire en raison de sa simplicité et de sa facilité de mise en œuvre.

Même dans ce cas, nous notons comment la mise à disposition complète de modèles de simulation appropriés, permet à Proteus de simuler, d’une manière relativement simple, les techniques croissantes de production d’énergie moderne.

L’effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque a été découvert par A.E. Becquerel en 1839 et fournit une démonstration de la nature corpusculaire de la lumière et du rayonnement électromagnétique en général. Cet effet est un phénomène physique qui se produit lorsqu’un électron présent dans la bande de valence passe à la bande de conduction en raison de l’énergie libérée par les photons. Le phénomène est résumé dans le dessin suivant :

Une cellule photovoltaïque est représentée par une jonction de silicium P-N où l’énergie lumineuse passe à travers la surface et excite la jonction.

Lorsque la jonction est excitée par la lumière, les photons qui ont une énergie égale à l’écart de bande (Eg) du matériau de silicium produisent une paire de charges électriques, un électron et un trou d’électron, et donc un flux de courant. Pour les panneaux en silicium, la valeur typique de Eg est comprise entre 1 et 1,8 eV.

Efficacité

Malheureusement, seul un petit nombre de photons ont assez d’énergie pour créer ce phénomène. Environ 40 à 50% des photons en ont soit trop peu, soit trop. Les photons d’énergie inférieurs à l’écart de bande requis ne contribueront pas à la création d’électricité, tandis que ceux supérieurs à Eg gaspilleront de l’énergie (dissipée en chaleur). En outre, environ 25 à 30 % des photons ne pénètrent pas dans la cellule et n’atteignent pas la jonction mais sont réfléchis par la surface de la cellule ou sur les contacts. Enfin, environ 5% des paires de trous d’électron sont recombinées et ne génèrent donc pas de courant.

Cela implique que l’efficacité des panneaux photovoltaïques dans les conditions de fonctionnement est de l’ordre de 10 à 15 %, généralement avec des pics d’environ 20 % dans les panneaux en silicium monocristallin.

Rayonnement solaire

L’énergie incidente du rayonnement solaire est une valeur considérée par convention comme égale à 1000 W/m^2.

Cette valeur n’est atteinte que dans des conditions particulières de latitude, de position, de pollution, etc. Elle est généralement réalisable à l’équateur avec une lumière directement exposée. Dans d’autres latitudes ou conditions environnementales, les valeurs de rayonnement solaire dans des conditions optimales peuvent varier de moins de 600 à 800 W/m^2 et seulement pour une fraction de la journée.

Panneau photovoltaïque

Comme mentionné précédemment, la cellule photovoltaïque est similaire à une diode de jonction P-N.

Les panneaux photovoltaïques sont la combinaison en série-parallèle de plusieurs jonctions. Ils sont disponibles avec des valeurs de tension allant généralement de 12 à 24V avec des valeurs de tension en circuit ouvert allant de 20 à 40V. La puissance allant de quelques watts à plusieurs centaines de watts sont disponibles.

Circuit équivalent et modèle mathématique

Une cellule photovoltaïque peut être simplifiée avec un générateur de courant continu dont la valeur dépend du rayonnement solaire. Le circuit équivalent d’une cellule est schématisé ci-dessous :

Pour décrire le courant dans la charge, nous pouvons utiliser l’équation de Shockley et le circuit équivalent ci-dessus. Ce courant, I, est décrit par l’équation suivante :

Où :

Ie est le courant dans la cellule exprimé en ampères.
Il est le courant proportionnel à l’intensité du rayonnement solaire.
Io est le courant de saturation de la diode, en ampères.
q est la charge de l’électron. i.e. 1.6E-19C
K est la constante de Boltzmann. i.e. 1.38E-23J/K.
Rs et Rp sont les résistances série et parallèle en ohms.
V est la tension de sortie exprimée en volts.

Courbe caractéristique I-V

L’équation ci-dessus décrit la caractéristique I-V de la cellule photovoltaïque. En multipliant le courant par le nombre de cellules en parallèle et/ou en additionnant les tensions des cellules en série, on obtient la caractéristique I-V du panneau photovoltaïque complet. Une caractéristique typique est présentée ci-dessous :

Cependant, la variation de l’intensité du rayonnement solaire entraîne une variation équivalente de la tension et du courant de sortie. La documentation des panneaux photovoltaïques commerciaux indique généralement les caractéristiques I-V à différentes intensités de rayonnement solaire. Un exemple est donné dans l’image suivante :

Le modèle de panneau photovoltaïque Proteus

Proteus inclut un modèle de simulation réaliste d’un panneau photovoltaïque générique. Le modèle peut être facilement configuré en entrant les paramètres typiques d’un produit commercial. Ces paramètres sont généralement toujours fournis dans la fiche technique du fabricant du panneau photovoltaïque. Ces paramètres sont :

La tension de circuit ouvert (Voc) est la tension de circuit ouvert à travers le panneau.
Le courant de court-circuit (Isc) est le courant de court-circuit du panneau.
La tension à Pmax (Vpm) est la tension à la puissance maximale.
La puissance maximale (Pmax) est la puissance maximale du panneau.
Le coefficient de température du Voc (généralement TC Voc) est exprimé en %/deg C.
Le coefficient de température d’Isc (typiquement TC Isc) est exprimé en %/deg C.

Parfois, on donne Imp (I à la puissance maximale) au lieu de la valeur Pmax. Dans ce cas, Pmax est calculé comme cela :

Pmax = Vmp x Imp

Saisie des propriétés dans Proteus

Comme toujours, nous pouvons entrer des paramètres de modèle en éditant le composant et en changeant les valeurs de propriété. Cela se fait par un clic-droit de la souris sur le composant voulu et en cliquant sur « Editer propriétés ». Ceci ouvre la boîte de dialogue suivante

Simulation graphique de la courbe caractéristique I-V

Comme décrit précédemment, les fabricants de panneaux photovoltaïques fournissent des courbes caractéristiques du courant en fonction de la tension (I-V) à différentes intensités d’irradiation solaire. Proteus vous permet de simuler ces courbes, en fournissant également un moyen d’obtenir les courbes à des intensités lumineuses particulières non spécifiées dans la fiche technique. Ces courbes sont obtenues à l’aide des graphiques de fonctions de transfert (disponibles avec le produit « Simulation Avancée par Graphes »). Voici un exemple :

Dans la simulation, un générateur de tension IRRADIANCE est utilisé pour générer une valeur de tension équivalente au rayonnement solaire de 200 W/m^2 à 1000 W/m^2. Pour permettre à PVPANEL d’accepter un signal externe à la place des contrôles actifs + et – , la propriété « Irradiance Source » doit être définie sur « External ». Cela désactivera les contrôles actifs et la pièce recevra la valeur de contrôle de la broche (cachée) IRRADIANCE.

Le fichier Proteus, pour la courbe caractéristique I-V, est disponible par le lien ci-dessous et peut être consulté avec le logiciel de démonstration.

Une version démo de Proteus est nécessaire pour ouvrir le fichier .pdsprj.

Proteus Simulation en temps réel

Le modèle de panneau PV peut également être simulé en temps réel. Dans ce mode, il est possible de régler la valeur d’irradiation solaire en temps réel à l’aide des deux contrôles actifs + et –. Notez que les contrôles actifs sont activés par défaut, c-à-d que la propriété « Irradiance Source » est définie sur « Active Component ».

Plusieurs configurations de panneaux connectés en série, en parallèle ou une combinaison de deux sont possibles. Dans ce cas, il est possible de définir un seul des panneaux en tant que panneau principal et tous les autres en tant que panneaux secondaires.

À titre d’exemple, disons que nous avons 12 panneaux de 18V 100W chacun que nous voulons connecter en parallèle, de sorte que nous obtenons 18V à 1200W. Nous connecterons 12 panneaux en parallèle, comme indiqué ci-dessous :

Sur PV1, la propriété « Irradiance Source » sera définie sur « Active Component ». Sur les autres panneaux de PV2 à PV12, la propriété Irradiance Source sera définie sur « External ».

De cette façon, pendant la simulation en temps réel, on pourra faire varier l’intensité du rayonnement solaire pour tous les panneaux de PV1 à PV12 en agissant uniquement sur les commandes actives de PV1. Celles de PV2 à PV12 seront désactivées.

Le fichier de schéma est disponible ci-dessous et peut être consulté dans la copie de démonstration de Proteus.

Le fichier Proteus pour le modèle de panneau PV est disponible avec le lien ci-dessous et peut être consulté avec le logiciel de démonstration.

Une version démo de Proteus est nécessaire pour ouvrir le fichier .pdsprj.

Conclusion

Les cellules photovoltaïques représentent l’une des technologies les plus prometteuses pour la production d’énergie propre et durable. Ces appareils convertissent directement la lumière du soleil en électricité, offrant une alternative écologique et à faible teneur en carbone.

C’est aussi un bon exemple montrant la façon dont Proteus nous aide à développer des modèles physiques comportementaux qui sont la base des dispositifs modernes de production d’énergie.

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Communication SPI

Introduction

SPI, ou Serial Peripheral Interface, est un des plus populaires protocoles de communication implémenté sur les microcontrôleurs. Il est couramment utilisé pour interagir avec des périphériques (capteurs, afficheurs, etc).

SPI est un protocole de communication synchrone, ce qui signifie qu’il existe une ligne horloge dédiée (voir les protocoles de communication synchrones/asynchrones). Les liens de communications du SPI sont :

MISO = Master In Slave Out
MOSI = Master Out Slave In
SS = Slave Select
SCK ou SCLK = Serial Clock

A la lecture des noms on voit qu’il existe un composant maître (MASTER) et un composant esclave (SLAVE). Le maître est le composant qui contrôle le lien horloge, donc c’est lui qui contrôle la communication.

SPI est un protocole « full duplex », car deux liens de données existent – un pour chaque direction de communication (master vers slave et slave vers master). Il est ainsi possible d’envoyer et de recevoir des données en même temps.

Le bus SPI

Plusieurs modules esclaves peuvent être connectés au même maitre avec les mêmes liens de communication SCK, MISO et MOSI (appelés bus SPI). Un lien distinct « Slave select » (SS) est toutefois nécessaire pour chaque esclave ; le maitre active les liens Slave Select (qui est actif à l’état bas – c.a.d. bas pour sélectionner et haut pour désélectionner) en fonction de l’esclave avec lequel il souhaite communiquer.

En pratique il est rare que des données soient à la fois transmises et reçues en même temps (le scénario habituel est qu’une instruction soit suivie d’une réponse, ou juste que le maître lise l’état de l’esclave). Cependant un des avantages du SPI est qu’il est simple à déboguer et dépanner (avec un oscilloscope par exemple) car on dispose de liens de communication dédiés. Les protocoles tels que I2C nécessitent moins de lignes mais sont plus difficiles à dépanner du fait leur complexité.

Un autre avantage du SPI est que toutes les lignes de communication sont actives à l’état haut ou bas. Par opposition, par exemple, à l’I2C dont les liens de communication sont uniquement pilotées à l’état bas et des résistances de tirage sont utilisées pour les mettre à l’état haut lorsqu’elles ne sont pas actives (voir notre article sur le bus I2C). Comme les lignes sont toujours actives, cela signifie qu’il est possible d’obtenir des débits de données supérieurs.

Dual et Quad SPI

Il existe des variations du SPI appelées Dual et Quad SPI, lorsque plus d’un lien de données est utilisé pour transmettre des données dans une direction en même temps (techniquement en parallèle), ce qui accroit le débit (la vitesse de communication). Ces variantes sont populaires, par exemple dans les composants mémoire FLASH qui nécessitent un débit important. Dans un Dual SPI la communication débute Off comme pour le Single SPI, cependant elle peut passer en Dual mode après qu’une commande soit envoyée au module esclave (voir la documentation du composant esclave). En mode Dual, les liens MISO et MOSI (half duplex) deviennent bidirectionnels, de nom SIO0 (Serial I/O 0) et SIO1. Pour chaque octet, les bits pairs sont transmis sur SIO0 et les bits impairs sur SIO1.

Le Quad SPI est similaire, excepté qu’il existe deux liens de communication supplémentaires (SIO2 et SIO3), et que la moitié d’un octet est transmis à la fois.

Configuration SPI

Certains paramètres du protocole SPI sont configurables, tels que la façon dont la donnée est émise/reçue ou si l’horloge est inactive à l’état haut ou bas. Il est aussi possible de configurer si la donnée est transmise avec le LSB ou le MSB en premier – habituellement le MSB en premier est utilisé.

Si vous n’êtes pas familiers avec les termes LSB et MSB, lisez notre article Signification de bit & Endian.

Regardez la bibliothèque des exemples de projets Proteus pour charger des exemples sur la communication avec des capteurs SPI ainsi que sur l’utilisation générale du protocole avec divers microcontrôleurs.

Article dont l’auteur est Dane du Plooy – eiTech Systems

Traduction française