Par Jeremy Cook
Récolter l’énergie solaire « à partir de rien » semblait autrefois aussi futuriste que la capacité de voler pour un être humain l’était au cours des siècles passés. Aujourd’hui, l’énergie solaire est une technologie courante, mais il existe encore un potentiel de croissance considérable en termes d’efficacité et d’application.
Une technologie de matériaux sur le point de transformer la gestion de l’énergie solaire est le carbure de silicium (SiC). Les fabricants d’énergie solaire utilisent ce matériau merveilleux pour construire des systèmes d’onduleurs solaires hautement efficaces et robustes qui transforment l’énergie CC des cellules photovoltaïques (PV) en alimentation CA domestique et professionnelle. Il existe trois architectures principales d’onduleurs : le micro-onduleur photovoltaïque, l’onduleur de chaîne photovoltaïque et l’onduleur central photovoltaïque.
Cet article examinera ces architectures et comment SiC s’intègre dans le tableau.
Technologie du carbure de silicium : une longue histoire, nouvelle pour aujourd’hui
Les scientifiques ont synthétisé le SiC pour la première fois en 1891. Le SiC est présent à l’état naturel, bien qu’il soit rare sur Terre. Initialement, le SiC était utilisé comme abrasif et a été employé dans diverses applications structurelles et électriques. Aujourd’hui, cependant, il est mis en œuvre comme un matériau semi-conducteur de pointe, avec des propriétés qui surclassent de loin ses homologues traditionnels en silicium.
Le défi du SiC est que, même s’il a été synthétisé il y a plus d’un siècle, il reste très difficile de le rendre suffisamment pur pour être utilisé comme semi-conducteur. Contrairement à la production de silicium (Si) de qualité transistor (qui peut être transformé d’un état liquide en un cristal à tailler), la croissance des cristaux de SiC implique un processus de sublimation/dépôt dans lequel le gaz est transformé directement en solide.
La fabrication de transistors SiC est donc plus compliquée (et coûteuse) que la production de dispositifs Si. Cependant, les propriétés améliorées du SiC signifient que ce coût ne correspond pas toujours à une comparaison parfaitement équivalente. Le SiC a une large bande interdite, ce qui signifie que les transistors fabriqués avec du SiC peuvent fonctionner dans des plages de tension, de température et de fréquence plus élevées que les dispositifs en Si.
Le SiC est également un conducteur thermique supérieur au Si et est bien meilleur pour conduire l’électricité à des températures plus élevées. L’une des utilisations les plus importantes du carbure de silicium concerne les systèmes d’onduleurs solaires.
Comment les systèmes d’onduleurs solaires utilisent le SiC
L’utilisation du SiC pour les onduleurs solaires présente un large éventail d’avantages, notamment :
- Haute efficacité
- Volume et poids globaux réduits du système
- Meilleure gestion thermique
- Fiabilité élevée
Étant donné que les dispositifs SiC conduisent et supportent mieux la chaleur que le Si, les dépenses de conception et de composants pour le refroidissement sont généralement moindres dans la mise en œuvre globale de l’onduleur. Les onduleurs peuvent également être plus petits, ce qui permet de réduire les coûts des matériaux. Ajoutez à cela les autres avantages en termes de performances susmentionnés, ainsi que l’idée que les coûts de fabrication du SiC diminueront probablement avec le développement futur, et la proposition de valeur du SiC semble très attrayante.
Une fois fabriqué, l’onduleur solaire (ou un ensemble d’onduleurs) doit être installé dans un système photovoltaïque (PV) pour pouvoir être utilisé. Les installateurs solaires disposent de trois méthodes/topologies principales pour configurer le système.
Les trois topologies courantes d’onduleurs solaires photovoltaïques
Un onduleur — qui inverse l’alimentation CC en alimentation CA, est une technologie d’usage général. On pourrait affirmer qu’un onduleur solaire est utilisé pour convertir le courant continu d’un générateur photovoltaïque en courant alternatif. Il existe trois types principaux de topologie d’onduleur photovoltaïque : le micro-onduleur, l’onduleur de chaîne et l’onduleur central. Chacun est adapté à différentes situations et échelles.
Guide d’application pour les onduleurs solaires
Micro-onduleur
Le pluriel « micro-onduleurs » est ici le plus précis, car un ensemble de petits (micro) onduleurs transforment l’énergie CC des panneaux solaires en courant alternatif pour alimenter une maison ou une autre petite installation. Chaque section solaire produit entre 40 et 80 VCC, avec une sortie typique de 110 ou 230 VCA.
Le pluriel « micro-onduleurs » est ici le plus précis, car un ensemble de petits (micro) onduleurs transforment l’énergie CC des panneaux solaires en courant alternatif pour alimenter une maison ou une autre petite installation. Chaque section solaire produit entre 40 et 80 VCC, avec une sortie typique de 110 ou 230 VCA.
Ces configurations sont très flexibles, avec une plage de puissance globale de 200 W à 1,5 kW et un rendement modéré d’environ 96 %. La réduction de taille permise par la technologie SiC est particulièrement intéressante dans ce scénario puisque plusieurs onduleurs doivent généralement être transportés et intégrés aux panneaux. Cependant, les micro-onduleurs sont également le type de système d’onduleur solaire le plus cher.
Onduleur de chaîne
Les panneaux solaires sont reliés entre eux (dans une chaîne), envoyant la puissance CC globale vers un seul onduleur. Cette topologie est adaptée aux plages de puissance allant de 1 kW à 200 kW, alimentant tout, depuis une maison individuelle jusqu’aux bâtiments et complexes industriels. Les tensions d’entrée peuvent atteindre 1 500 V CC, avec une sortie jusqu’à 800 V CA triphasé. Cette topologie est flexible et efficace jusqu’à 98,5 %. Les capacités de gestion de tensions plus élevées du SiC sont ici idéales.
Le fabricant de SiC Infineon a créé un modèle de référence d’onduleur de chaîne photovoltaïque de 1 500 V qui utilise la technologie MOSFET SiC à point neutre actif (ANPC) et fonctionne à 48 kHz. Cette conception est cinq à dix pour cent moins chère qu’un système comparable utilisant uniquement la technologie IGBT à 16 kHz sur la base du coût par kW. Même si les commutateurs et pilotes à semi-conducteurs utilisant la technologie SiC dans une telle conception coûtent plus cher que leurs homologues à IGBT uniquement, ils permettent de réaliser des économies considérables au niveau des composants magnétiques qui peuvent constituer la différence maximale.
Des pertes potentiellement inférieures et des performances accrues dans les applications d’onduleurs rendent un système basé sur SiC encore plus attractif à long terme. Ajoutez plusieurs conversions dans une configuration de solution de stockage d’énergie (ESS) et l’argument en faveur de l’utilisation de la technologie SiC améliorée ne fait que se renforcer. Bien que ce qui est décrit ci-dessus concerne la mise en œuvre d’un onduleur de chaîne photovoltaïque, d’autres topologies bénéficieront des avantages similaires des capacités SiC.
Onduleur central
Plusieurs chaînes de panneaux solaires alimentent un onduleur central. De telles topologies conviennent aux opérateurs au niveau du réseau et peuvent produire plus de 1 000 kW (c’est-à-dire plus d’un gigawatt) d’énergie. Les tensions d’entrée peuvent atteindre 1 500 V CC, avec une sortie jusqu’à 690 V CA triphasé. Cette technologie est la moins évolutive des trois topologies mais offre la plus grande efficacité (jusqu’à 99 %). Les capacités de tension accrues du SiC sont intéressantes dans ce scénario. Un onduleur central permet d’appliquer à grande échelle les propriétés de haut rendement du SiC. Les onduleurs centraux constituent le type de système d’onduleur solaire le moins cher par kW.
Avantages du SiC pour la production d’énergie solaire
Même si certaines caractéristiques du SiC sont plus souhaitables dans des scénarios spécifiques, tous les avantages du SiC s’appliqueront à chaque topologie répertoriée. Le rapport coût/bénéfice deviendra encore plus attractif à mesure que la technologie se développera. Des sociétés telles qu’Infineon, Microchip, Onsemi, STMicroelectronics et Wolfspeed continuent de faire progresser la technologie SiC, et nous pouvons nous attendre à ce que le SiC améliore l’efficacité énergétique dans l’industrie solaire et au-delà !
Produits associés
Inverseurs CCFL
Onduleurs CC en CA
Wolfspeed
Infineon
onsemi
