Système de convertisseur solaire : Guide des principaux composants

Le "cerveau" de votre système d'énergie solaire

Le monde de l'énergie solaire. Bien que les panneaux solaires soient l'élément le plus visible d'un système qui capte l'énergie solaire pure, c'est le système d'onduleur solaire qui en est le cerveau. Il s'agit d'un composant technologique essentiel qui constitue le véritable centre de contrôle et de commande, et les décisions intelligentes prises à chaque milliseconde par le biais du contrôle, de la conversion et de l'utilisation optimale de l'énergie qui alimente votre maison, votre entreprise ou même une centrale électrique à grande échelle.

Un système d'onduleur de haute qualité ne se contente pas de transformer l'électricité, il tire également le meilleur parti de votre récolte d'énergie, il rend le réseau sûr et stable et vous fournit les informations essentielles dont vous avez besoin pour surveiller votre système d'énergie solaire et ses performances. En son absence, l'énergie générée par vos cellules solaires ne peut être utilisée.

Dans ce guide complet, nous ouvrirons la boîte pour examiner de plus près ce système. Nous verrons ce qu'il est, les quatre types les plus courants que vous rencontrerez, les éléments matériels clés qu'il contient et comment il communique avec les batteries et le réseau. Plus important encore, nous allons découvrir l'un des éléments fondamentaux qui sont généralement ignorés mais qui sont fondamentalement essentiels à la performance et à la longévité : le système de refroidissement.

Qu'est-ce qu'un onduleur solaire et comment fonctionne-t-il ?

Dans sa forme la plus simple, un système d'onduleur solaire n'a qu'une seule tâche majeure, magique, à accomplir : il convertit l'électricité en courant continu (CC) en électricité en courant alternatif (CA).

Les panneaux solaires produisent du courant continu, c'est-à-dire un flux d'électricité dans le sens inverse. Mais c'est le courant alternatif qui est utilisé dans le réseau électrique et dans la plupart des appareils de votre bâtiment (lampes, réfrigérateur, machine industrielle, etc.), c'est comme le courant qui change rapidement de direction.

Considérez l'onduleur comme un traducteur sophistiqué à grande vitesse. Il reçoit le langage du courant continu utilisé par le système de panneaux solaires et le convertit dans le langage du courant alternatif que votre bâtiment peut comprendre et utiliser.

Le processus se déroule comme suit :

1. Les panneaux solaires captent la lumière du soleil et produisent de l'électricité en courant continu.
2. Ce courant continu est injecté dans le système d'onduleur solaire.
3. L'onduleur, à l'aide de commutateurs électroniques complexes, "hache" le signal continu et le réassemble en un signal alternatif sinusoïdal pur.
4. Cette alimentation en courant alternatif est alors :
   • Envoyée directement à votre domicile ou à votre entreprise pour alimenter les appareils électroménagers.
   • Alimentation d'un système de batteries pour le stockage.
   • Exporté vers le réseau des services publics, souvent en échange d'un crédit.

4 Principaux types de systèmes de convertisseurs solaires

L'onduleur n'est pas un produit à taille unique. Les types d'onduleurs dont vous avez besoin dépendent fortement de la taille de votre projet, de votre budget et de l'objectif de votre projet (comme la sauvegarde de la batterie ou le contrôle de l'ombrage de votre toit).

Systèmes d'onduleurs de branche

L'onduleur de branche est le type d'onduleur classique et le plus courant pour les projets résidentiels et les petits projets commerciaux. Le système fonctionne en câblant plusieurs panneaux solaires en série, ce que l'on appelle une "chaîne". L'énergie CC combinée générée par l'ensemble de la chaîne est ensuite acheminée vers un boîtier d'onduleur centralisé à panneau unique pour y être convertie.

• Meilleur pour : Les toits simples, non ombragés, où tous les panneaux sont orientés dans la même direction. Ils sont rentables, fiables et faciles à entretenir.
• Considération clé : La performance de la chaîne est vendue par le panneau le plus performant. Lorsqu'un panneau est taché ou sali, le rendement de tous les autres panneaux de la chaîne diminue.

Systèmes de micro-onduleurs

Le micro-onduleur est un développement plus récent qui décentralise l'inversion. Il n'y a pas d'onduleur central, mais un petit micro-onduleur installé directement à l'arrière de chaque panneau. La conception implique que chaque panneau est un générateur unique de courant alternatif.

• Meilleur pour : Les toits complexes avec des angles multiples, des lucarnes ou un ombrage intermittent (par exemple, des arbres ou des cheminées).
• Considération clé : Comme tous les panneaux agissent séparément, l'ombre projetée par un panneau n'a aucun effet sur l'ombre projetée par un autre panneau, ce qui permet de maximiser la puissance totale. Ils peuvent également être contrôlés au niveau du panneau, mais sont généralement les plus coûteux au départ.

   

Systèmes d'onduleurs hybrides

Les systèmes d'onduleurs hybrides sont souvent appelés onduleurs prêts à l'emploi et constituent la solution unique à l'ère de l'énergie contemporaine. Un onduleur hybride sera créé pour fonctionner comme un onduleur de chaîne typique (transformant la sortie CC en sortie CA) et comme un onduleur de batterie (contrôlant le flux d'énergie entrant et sortant d'une batterie).

• Meilleur pour : Les propriétaires et les entreprises qui souhaitent stocker de l'énergie (une batterie solaire) maintenant ou prévoient d'en ajouter un à l'avenir.
• Considération clé : C'est le cerveau qui permet d'atteindre l'indépendance énergétique. Il est capable de contrôler intelligemment le système solaire, la batterie et le réseau électrique en même temps. Il peut envoyer le surplus d'énergie solaire dans la batterie, puis libérer la batterie afin de desservir la maison pendant les périodes d'absence de soleil (la nuit ou lorsque l'électricité est coupée).

Onduleurs centraux

C'est le monstre de l'industrie des onduleurs, qui cible les fermes solaires commerciales et utilitaires à grande échelle (les grands champs de panneaux solaires que vous voyez). Des centaines de panneaux peuvent être connectés à un onduleur central, où des mégawatts (MW) de puissance peuvent être gérés.

• Meilleur pour : Les centrales solaires, les grandes installations industrielles et les projets solaires communautaires.
• Considération clé : Ce ne sont pas de petites boîtes et elles ont généralement la taille d'un conteneur d'expédition. Leur densité de puissance est gigantesque et leurs performances ne peuvent être compromises. Leur défaillance peut mettre hors service une fraction importante d'une centrale électrique et, par conséquent, la fiabilité de leurs composants internes, en particulier la gestion thermique, est une question qui se chiffre en millions de dollars.

Voici un tableau simple pour vous aider à comparer ces différents types :

A l'intérieur de la "boîte" : Les composants matériels qui alimentent votre système

Voyons maintenant ce qu'il y a sous le capot. Bien que la conception précise puisse changer, presque tous les onduleurs actuels utilisent trois groupes principaux de composants matériels pour fonctionner.

Le module de conversion (IGBTs/MOSFETs) : Le "moteur"

C'est le moteur de l'onduleur. Il s'agit d'un ensemble de commutateurs à semi-conducteurs très résistants et à réponse rapide, connus sous le nom de IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) ou MOSFETs (transistors à effet de champ à métal-oxyde-semiconducteur).

Ces interrupteurs ont pour fonction de transformer le courant continu variable en une onde sinusoïdale constante de courant continu utilisable. Ils réagissent à des variations continues pour s'assurer qu'ils ont la bonne quantité d'énergie et peuvent s'allumer des milliers de fois par seconde. Il s'agit d'un processus très efficace, mais qui produit un sous-produit important, à savoir une grande quantité de chaleur perdue.

Les suiveurs de point de puissance maximale (MPPT) : L'optimiseur

La technologie critique est l'Optimizer qui maximise votre production d'énergie. La production d'un panneau solaire est toujours en mouvement, en fonction des rayons du soleil, de la température et d'autres conditions. Le MPPT est chargé d'analyser en permanence le courant continu entrant afin de localiser le point de puissance optimal, appelé point de puissance maximale, une combinaison de tension et de courant, afin de tirer le maximum de watts des panneaux à tout moment.

Le contrôleur du système (MCU) : Le "CPU"

Il s'agit du cerveau ou de l'unité centrale de l'opération. Le microcontrôleur (MCU) est un processeur complexe qui contrôle toutes les autres parties. Il commande les IGBT pour qu'ils commutent et indique quand et comment ils doivent le faire, lit les données des MPPT, vérifie la stabilité des réseaux électriques, contrôle les systèmes de stockage de la batterie (dans les systèmes hybrides) et signale toutes les données opérationnelles à surveiller. Il communique également avec le régulateur de charge ou le régulateur de charge solaire pour contrôler les charges de la batterie et assurer la sécurité et la fonctionnalité maximales du système.

Comprendre l'intégration des systèmes : Réseau, batteries et charges

Un système d'onduleur solaire n'est pas simplement un onduleur. Il se caractérise par sa combinaison avec les trois acteurs les plus importants de votre écosystème énergétique :

1. La grille : Le réseau électrique, qui assure l'échange de l'électricité solaire.
2. Les piles : Vos systèmes locaux de stockage de batteries qui garantissent une alimentation constante en l'absence de soleil.
3. Les charges : Le matériel de votre bâtiment qui a besoin d'électricité - les appareils et les machines, et même les technologies électriques du futur, comme les véhicules électriques.

Un onduleur hybride moderne prend une décision intelligente en temps réel en fonction de la programmation et des conditions. Par exemple, lors d'une journée ensoleillée, à 14 heures, l'onduleur peut produire 4 kW d'énergie solaire pour alimenter la maison (la charge), 3 kW pour charger la batterie et exporter les 2 kW restants vers le réseau. Elle sera ensuite mise hors tension par la batterie à 20 heures et sera utilisée pour faire fonctionner la maison sans tenir compte du réseau afin d'économiser de l'argent.

Intégration du système de convertisseur solaire au réseau électrique

La relation de la plupart des systèmes photovoltaïques avec le réseau électrique est la plus importante. Cette intégration définit non seulement l'efficacité énergétique, mais aussi la production globale d'électricité, et elle est régie par certaines règles et incitations financières.

Comptage net et vente de l'énergie excédentaire

Le comptage net est une méthode de facturation qui constitue une motivation financière dans le cas de l'énergie solaire sur le réseau, qui est la principale motivation dans le cas de l'énergie solaire raccordée au réseau. Lorsque votre système produit de l'électricité solaire en plus de ce que vous consommez, l'électricité solaire supplémentaire est exportée vers le réseau et votre compteur d'électricité tourne à l'envers. Vous obtenez un crédit pour cette production d'énergie, qui peut être utilisé la nuit ou par temps nuageux lorsque vous achetez de l'électricité sur le réseau.

L'illustration directe du travail de l'onduleur solaire est qu'il garantit l'efficacité du flux d'énergie entre votre maison et le réseau de distribution.

Conformité avec les réglementations des services publics aux États-Unis

Un système d'onduleur solaire ne peut pas être inséré dans le réseau. Les onduleurs sont également de nature puissante et, par conséquent, ils doivent être correctement conçus et répondre à des normes de sécurité élevées, nécessaires pour garantir la sécurité de l'employé de l'entreprise de distribution et du réseau. Cela signifie, principalement aux États-Unis, qu'ils doivent être conformes à.. :

• UL 1741 : Cette norme de certification et de sécurité des onduleurs et des équipements qui interagissent avec le réseau.
• IEEE 1547 : Norme technique décrivant le comportement requis des ressources énergétiques distribuées (telles que votre onduleur) lorsqu'elles sont connectées au réseau, y compris ce que l'on appelle l'anti-îlotage, qui consiste à s'éteindre automatiquement lorsque le courant est coupé.

Une conformité correcte est importante car elle contribue non seulement à assurer la sécurité du réseau électrique, mais aussi à garantir la stabilité et l'efficacité de votre système photovoltaïque en dépit du nombre de panneaux interconnectés et de la charge finale.

Pourquoi le refroidissement actif est une composante essentielle de la performance

Nous avons déjà parlé du grand moteur (IGBT) et du cerveau (MCU) de l'onduleur. Placée dans un agencement aussi dense, toute cette électronique performante produit un énorme volume de chaleur résiduelle.

Il convient ici de parler de l'un des éléments qui est trop facilement ignoré, le système de gestion thermique. La capacité d'un onduleur à contrôler la chaleur détermine ses performances, sa fiabilité et sa durée de vie globale.

Une règle générale de l'électronique de puissance, fondée sur la loi d'Arrhenius, veut que la durée de vie à long terme des éléments électriques soit divisée par deux chaque fois que la température de fonctionnement augmente de 10 °C (18 °F). Dans ce cas, l'optimisation du fonctionnement de l'onduleur solaire génère une puissance stable et la stabilité du système.

Refroidissement passif ou actif : Pourquoi les systèmes de grande puissance ont besoin de ventilateurs

1. Refroidissement passif : Il n'y a pas de mouvement à partir d'une pièce mobile. Il dépend exclusivement d'énormes dissipateurs de chaleur métalliques à ailettes pour se refroidir à l'air. C'est le cas des micro-onduleurs de petite taille et des onduleurs de branche résidentiels de certains autres modèles. Il est à la fois silencieux et possède un périmètre corporel.
2. Refroidissement actif : Utilise des ventilateurs pour pousser une grande quantité d'air sur les dissipateurs thermiques et évacue activement la chaleur des composants.

Le refroidissement passif peut suffire pour les petits systèmes résidentiels. Cependant, le refroidissement actif n'est pas une option ; il est indispensable dans les onduleurs hybrides de grande puissance (en particulier lors de la charge/décharge des batteries) et dans tous les grands onduleurs centraux. Les densités et les exigences en matière de gestion de l'énergie des systèmes photovoltaïques modernes ont rendu indispensable un refroidissement efficace des systèmes photovoltaïques afin de garantir des performances fiables et sûres sur le réseau.

L'avantage ACDCFAN : Un refroidissement fiable pour un investissement plus intelligent

Un système d'onduleurs est un système solaire de 10 à 15 ans. Mais son élément le plus fragile a une durée de vie très courte. Même dans un système à refroidissement forcé, un ventilateur à palier lisse bon marché et de mauvaise qualité, qui se grippe à cause de la poussière ou qui tombe en panne à cause du roulement des paliers, est le point de défaillance mécanique numéro 1.

C'est pourquoi la spécification d'un solution de gestion thermique La garantie d'une qualité industrielle n'est pas un ajout, c'est une approche fondamentale pour protéger votre investissement. Chez ACDCFAN, nous sommes spécialisés dans la fabrication de composants de refroidissement destinés à être utilisés dans des conditions d'extrême fiabilité avec systèmes de haute puissance.

• Conçu pour durer longtemps : Les ventilateurs standard constituent un point faible majeur. Nos solutions utilisent des roulements à billes de haute technologie pour que la solution ait une durée de vie plus longue. MTBF (Mean Time Between Failure) de plus de 70 000 heures. Cela représente presque 8 ans d'utilisation 24/7, ce qui garantit que le ventilateur durera aussi longtemps que l'onduleur lui-même.
• Performance intelligente et instantanée : PWM (modulation de largeur d'impulsion) Le contrôle intelligent est pris en charge par nos ventilateurs. Ils sont directement reliés au MCU (l'unité centrale dont nous avons parlé) de l'onduleur pour fournir une réaction thermique intelligente et à la demande. Leur fonctionnement est silencieux et consomme peu d'énergie au point mort, et ils augmentent à pleine puissance pour protéger les pièces lorsque la production est à son maximum, ou lors de la charge des batteries.
• Environnements du monde réel : Résilience Les onduleurs centraux à grande échelle ne fonctionnent pas dans des pièces propres et climatisées. Ils sont situés dans des déserts, des champs en altitude ou des régions côtières où l'humidité est importante. Notre Classé IP68 Les ventilateurs sont complètement scellés pour empêcher la pénétration de la poussière et de l'eau et offrent ainsi des performances de refroidissement optimales et une grande longévité, même dans des conditions extrêmes.

La gestion thermique est l'élément le plus important pour les ingénieurs système et les responsables de l'approvisionnement qui développent la prochaine génération d'onduleurs. Nos produits sont entièrement RoHS 2.0 et certifié UL, CE et TUVCela facilite grandement la conception et la conformité de nos produits. Nous sommes même en mesure d'aider les équipes de recherche et de développement en leur soumettant une proposition initiale d'agencement thermique dans un délai de 12 heures.

Principales mesures de performance des onduleurs solaires : Que signifient l'efficacité et les valeurs nominales ?

En comparant les systèmes d'onduleurs, vous vous perdrez dans les spécifications techniques. Ce sont les deux plus importantes auxquelles il faut prêter attention.

Comment choisir le bon système de convertisseur solaire

Le choix le plus crucial qui fait la différence dans la performance à long terme de votre projet est le choix du système d'onduleur solaire. Vous devez commencer par déterminer l'échelle dont vous disposez, car elle détermine ce que vous pouvez faire.

• En projets résidentielsIl existe trois types d'onduleurs pour faire votre choix. Un onduleur de branche est le meilleur choix lorsqu'il s'agit de toits simples et non ombragés. Si votre toit présente des angles ou des ombres plus complexes, les micro-onduleurs seront en mesure d'extraire la quantité maximale d'énergie, mais à un coût plus élevé. Un onduleur hybride est la solution idéale si vous souhaitez être indépendant sur le plan énergétique et disposer d'une batterie de secours.
• Dans le cas de Secteur commercial (C&I) et secteur des services publicsDans ce cas, le choix se porte sur de grands onduleurs de branche triphasés ou de grands onduleurs centraux. Dans ce cas, l'attention n'est pas portée sur le coût initial mais sur le coût total de possession (TCO). Dans ces systèmes de grande puissance, la fiabilité est le facteur le plus important. Examinez l'indice d'efficacité CEC de l'onduleur, son indice IP pour protéger l'environnement et son système de traitement thermique. Un puissant mécanisme de refroidissement actif est en cours de développement, capable de supporter des années de charge élevée afin de ne pas compromettre votre investissement à long terme.

Quelle est l'efficacité de votre fournisseur en termes de CEC (et non de pointe) ? Voici deux questions à leur poser avant d'acheter : "Quelle est la garantie et, en cas de charge de pointe, quelle est la durée de vie prévue des composants ?

Conclusion

Le système d'onduleur solaire n'est pas un simple boîtier de conversion ; c'est le cerveau vivant de l'ensemble du plan énergétique. Il détermine le niveau de puissance que vous extrayez, la manière dont vous utilisez cette puissance et la longévité de vos onduleurs solaires au cours des 20 prochaines années.

Vous êtes un propriétaire qui a opté pour un micro-onduleur, une entreprise qui a installé un système hybride avec des batteries, ou un ingénieur qui a décidé de concevoir un système photovoltaïque de plusieurs mégawatts. Vous savez maintenant que la performance du système est aussi forte que ses principaux composants.

Toutes les pièces doivent être bien synchronisées les unes avec les autres, depuis le "moteur" compliqué de ses IGBT jusqu'au "cerveau" de son MCU. Et le héros méconnu est le système de gestion thermique qui les protège tous. Le meilleur investissement que vous puissiez faire pour un avenir énergétique propre sain et lucratif est de choisir un système doté de composants durables et de haute qualité, jusqu'aux roulements à billes de ses ventilateurs de refroidissement.