Produisez de l'énergie solaire !

Un réseau électrique solaire équitable et fiable pour les agriculteurs

Par Praveen Jain, récipiendaire de la médaille IEEE en génie énergétique

Né dans l'Inde rurale et étant à l'avant-garde mondiale de la technologie au cours des 40 dernières années, je peux affirmer avec certitude que les agriculteurs de nombreux pays ne voient pas les véritables avantages de l'énergie solaire.

Le plus grand et le meilleur avantage de l'énergie solaire pour les agriculteurs est probablement les pompes à eau solaires utilisées pour l'irrigation. Alimentées par la lumière du soleil qui est récoltée grâce à des panneaux photovoltaïques (PV), les pompes solaires augmentent le rendement des cultures, favorisent une utilisation efficace de l'eau et réduisent la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre. Hors saison, ces installations solaires peuvent alimenter le réseau local en électricité, fournissant un revenu supplémentaire aux agriculteurs.

Reconnaissant ces impacts économiques et environnementaux positifs, de nombreux gouvernements du monde entier mettent actuellement en œuvre de nouvelles politiques pour apporter ces avantages aux agriculteurs. Tant pour le gouvernement que pour l’industrie, comprendre les besoins réels des agriculteurs, avoir accès aux meilleures technologies et concevoir des produits innovants est le besoin de l’heure.

Du point de vue des agriculteurs, ces produits doivent être abordables, fiables, sûrs, simples à utiliser, polyvalents et s’intégrer de manière transparente aux technologies existantes. Pour atteindre ces attributs, un certain nombre d'exigences doivent être satisfaites.

L'onduleur est au cœur de toute installation photovoltaïque. Il doit être très fiable et répondre à l'espérance de vie de 25 ans des panneaux photovoltaïques. Si la durée de vie nominale de l'onduleur n'est que de 12 ans, il devra être remplacé au moins une fois. Cela devrait être une dépense que les agriculteurs peuvent se permettre.

L'onduleur doit être polyvalent et compatible avec les technologies existantes, capable de fonctionner en réseau, hors réseau, avec des onduleurs de batterie et avec tout type de pompe à eau. Les onduleurs polyvalents aident les agriculteurs à faire fonctionner les pompes à eau et à irriguer leurs fermes, et ils permettent aux agriculteurs de gagner des revenus supplémentaires en vendant de l'électricité au réseau lorsque leurs pompes ne sont pas utilisées.

Les zones rurales connaissent souvent des pannes de courant et des coupures de courant fréquentes. Le plus souvent, des onduleurs de batterie sont installés dans ces zones pour fournir un stockage d'énergie à court terme afin de surmonter ce problème.

Il existe plusieurs millions d'onduleurs de batterie et de pompes à eau déjà installés dans le monde, représentant des milliards de dollars en valeur totale. Les nouvelles installations photovoltaïques devraient pouvoir fonctionner rétroactivement avec la base installée d'onduleurs à batterie et de pompes à eau. Cette compatibilité garantirait qu'un agriculteur déjà confronté à des difficultés financières ne devrait pas avoir à dépenser plus d'argent que nécessaire pour une installation photovoltaïque.

En regardant les exigences ci-dessus, un produit riche en fonctionnalités doit être développé, et à faible coût. Depuis l'invention du premier commutateur à semi-conducteurs de puissance au début des années 1960, le domaine de l'électronique de puissance a connu une révolution technologique rapide. La technologie récente de puissance et de contrôle développée dans ce domaine peut être appliquée à la conception d'un onduleur PV riche en fonctionnalités. De nombreuses nouvelles techniques de commande numérique non linéaire et de commutation sans perte peuvent réduire considérablement la complexité du matériel en utilisant des mathématiques complexes. La suppression des contraintes physiques à l'aide de mathématiques complexes peut aboutir à un onduleur PV léger, compact, rentable et riche en fonctionnalités qui peut fournir une fiabilité inégalée dépassant la durée de vie d'un panneau PV.

La technologie résonante peut être utilisée dans la conception des onduleurs photovoltaïques pour obtenir une isolation galvanique pour une sécurité accrue et un fonctionnement à fréquence de découpage ultra-élevée sans provoquer de pertes de commutation. Une nouvelle architecture d'alimentation, basée sur la topologie résonante et l'implémentation de commande numérique non linéaire, peut être utilisée pour supprimer les pulsations de puissance basse fréquence de l'entrée du panneau solaire sans utiliser de grands bancs de condensateurs électrolytiques ou d'étages de conversion de puissance supplémentaires. Avec la topologie du convertisseur et la méthode de contrôle, les composants à faible durée de vie tels que les condensateurs électrolytiques et les optocoupleurs peuvent être éliminés, et une efficacité d'extraction d'énergie très élevée peut être obtenue.

Une autre contrainte doit être abordée. La plupart des installations photovoltaïques requises par les agriculteurs sont de petite taille, généralement de 1 à 5 kW. Ils sont également sujets à un ombrage partiel et à la poussière, ce qui peut entraver la production d'énergie. Mais ces limitations peuvent être surmontées avec des architectures PV basées sur des micro-onduleurs. L'inconvénient pour les agriculteurs est que ces systèmes sont plus chers car chaque panneau nécessite un micro-onduleur.

Cependant, avec la pression croissante sur les prix et les coûts de main-d'œuvre croissants associés à l'installation des onduleurs, une nouvelle architecture, basée sur des micro-onduleurs quadruples, est apparue. La configuration quadruple optimise quatre modules PV avec un seul onduleur, simplifiant la conception et l'installation tout en réduisant le nombre d'onduleurs requis. Avec moins d'onduleurs nécessaires, l'architecture à base de micro-onduleurs quad réduit le prix des installations de manière significative pour les agriculteurs, ce qui entraîne une production plus élevée pour chaque investissement.

En appliquant des solutions d'électronique de puissance avancées à la conception de nouveaux produits photovoltaïques qui répondent aux véritables besoins des agriculteurs, les meilleures technologies leur deviennent plus accessibles.


Le Dr Praveen Jain est titulaire de la Chaire de recherche du Canada en électronique de puissance et directeur du Centre de recherche sur l’énergie et l’électronique de puissance (ePOWER) de l’Université Queen’s à Kingston, au Canada. Ses contributions à la recherche ont abouti à plus de 600 publications et 100 brevets. Le Dr Jain (PhD, Université de Toronto) est membre de l'IEEE, de la Société royale du Canada, de l'Institut d'ingénierie du Canada et de l'Académie canadienne du génie. Il est le récipiendaire du prix IEEE William E. Newell de l'électronique de puissance 2011, et il reçoit la médaille IEEE 2021 en génie de l'énergie «pour ses contributions à la théorie et à la pratique des systèmes de conversion de puissance à haute fréquence» à la Vision IEEE 2021, Sommet sur l'innovation et les défis (IEEE VIC Summit) et cérémonie d'honneur qui s'est tenue virtuellement du 11 au 13 mai 2021.

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