Brevet FR2397737A1 — publié le 19790209

La presente invention est relative à un circuit dtas- sociation de générateurs. E lie se rapporte plus particulièrement à un circuit pour l'association adaptative de générateurs d'électricité polarisés, ainsi qutà l'association adaptative d'un nombre déterminé de circuits conformes â la présente invention. L'un des domaines d'utilisation de tels circuits selon l'invention réside en particulier dans l'exploitation de l'énergie solaire. En effet, dans ce cas, l'une des principales caractéristiques de cette forme d'énergie est son évolution quantitative au cours du temps. Quotidiennement, un générateur d'électricité tel qu'un capteur photovoflaique délivre une énergie minima en début et fin de journée et maxima en milieu de journée. Pour avoir tout au long de la journée une énergie utilisable, il est connu de monter en parallèle sur le circuit des panneaux de capteurs photo voltaiques, un ensemble d'accumulateurs jouant le rôle de batterietampon. Mai l'emploi dtaccumulateurs constitue une solution peu économique, introduisant des pertes d'énergie supplémentaires, et qui nécessite une surveillance et une maintenance pour sa mise en oeuvre. En outre, un équipement d'accumulateurs est toujours d'un poids élevé. Enfin, les utilisations de l'énergie solaire sont souvent spécifiques et ne concernent fréquemment qu'une activité ou un groupe d'activités industrielles ou domestiques. De ce fait, on peut envisager d'exploiter énergie solaire en l'adaptant à l'utilisation, sans qu'il soit nécessaire de surcroit d'employer des accumulateurs d'énergie, coûteux et peu efficaces. Par ailleurs, les générateurs d'électricité sont associés communément suivant leur utilisation en mode série, en mode parallèle ou en mode mixte série-parallèle. Le passage d'un mode à l'autre oblige classiquement à réaliser une commutation à l'aide d'un nombre souvent élevé d'éléments commutateurs, qui sont habituellement des relais électromagnétiques ou des commutateurs manuels. Grâce à un grand nombre de contacts par relais on a des contacts inverseurs, on peut diminuer le nombre de dispositifs commutateurs, mais il n'en résulte pas une amélioration de la fiabilité. De plus, la complexité du câblage s'accroît sensiblement. Le circuit conforme à la présente invention, qu'il soit seul ou qu'il se présente en un certain nombre d'exemplaires pour former une association adaptative de générateurs d'électricité, a pour but d'adapter les caractéristiques de la source d'énergie que constitue l'ensemble des générateurs d'électricité polarisés, aux caractéristiques de l'utilisation, et cela quelle que soit cette utilisation si celleci change et/ou quelles que soient les conditions d'environnement (par exemple ltensoleillement) Si cellesci interviennent. L'idée de base de l'invention consiste à coupler l'action de soupapes semiconductrices avec celle de commutateurs afin d'obtenir grâce à un schéma de calage simple une modification du type d'association (série1 série-parallèle, parallèle) de générateurs d'électricité. Ainsi, conformément à l'invention, il a été réalisé un circuit pour l'association adaptative de générateurs d'électricité polarisés, caractérisé en ce que les connexions entre les générateurs s1 effectuent par l'intermédiaire de soupapes semiconductrices orientées dans un meme sens d'un générateur à un autre et en ce qu'on dispose des commutateurs entre les bornes de générateurs autres que celles auxquelles est connectée l'utilisation, lesdites bornes étant de polarités opposées. L'une des applications les plus intéressantes du circuit conforme à la présente invention réside en ce que les générateurs d'électricité polarisés sont des capteurs photovoltalques. Selon une forme préférée de réalisation de la présente invention, les commutateurs sont constitués par des relais électromagnétiques dont certains peuvent être à contacts multiples. Ce mode de réalisation simple, permet selon la présente invention de disposer de circuits de peu de complexité. Conformément à l'invention, une association adaptative d'un nombre quelconque de générateurs d'électricité polarisés, est constituée par un nombre déterminé de circuits identiques conformes à l'invention. Cette association nécessitera un câblage peu complexe, et modifiable très aisèment au gré des paramètres déterminants. La description suivante, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comprendre comment l'invention peut etre réalisée. La figure l donne le schéma d'un circuit réalisé selon la présente invention. La figure 2 est un exemple d'association adaptative de circuits conformes à la présente invention. La figure l représente un circuit conforme à la présente invention. Ce circuit comprend deux générateurs d'électricité l et 2, deux soupapes semiconductrices 3 et 4 et un commutateur simple 5. L'utilisation 6 est connectée à des bornes de générateurs-présentant des polarisations opposées, sonpôle positif étant également connecté a ltanode d'une soupape tandis que son ple négatif est également connecté à la cathode d'une autre soupape. Les deux générateurs d'électricité polarisés l et 2, dans le cas présentement illustré et donné à titre d'exemple non limitatif de l'invention, sont des générateurs de courant, par exemple des capteurs photovoltaiques (habituellement dénommés cellules solaires). il va de soi que des générateurs 8 de tension peuvent tout aussi bien convenir pour la mise en oeuvre d'un circuit conforme à la présente invention. Ainsi, suivant le désir de l'utilisateur, on pourra disposer tout type de générateur d'élec tricité pour la mise en oeuvre de 1'invention conne par exemple des capteurs photovoltalques, des accumulateurs, plus généralement des sources d'énergie constituées de capteurs et d'accumulateurs, mais aussi des condensateurs etc... Les soupapes 3 et 4 orientées dans un même sens d'un générateur à un autre dans le présent cas de figure, sont des diodes semiconductrices. De préférence, on choisira des diodes à faible seuil de conduction, par exemple des diodes Schottky, de manière bien sûr à diminuer les chutes de tension et donc les pertes occasionnées par leur fonctionnement. Dans tous les cas, celles-ci ont une faible incidence sur l'énergie totale journalière, dès que l'on dispose des générateurs d'électricité présentant des tensions de fonctionnement optimum supérieures à la dizaine de volts. Au cours de la suite de cette description, on se placera dans cette dernière hypothèse. Le commutateur 5, commandé manuellement ou automatiquement à partir d'un organe de commande, peut être par exemple constitué d'un relais électromagnétique. Ce commutateur est disposé entre les bornes de générateurs autres que celles auxquelles est connectée l'utilisation 6. Ces bornes présentent des polarités opposées. La figure 1 représente ce commutateur en position "circuit ouvert, Dans cette position, le générateur 2 est connecté en parallele, grâce aux soupapes 3 et 4, sur le générateur 1. Lorsque le commutateur 5 se trouve en position circuit fermé", alors le générateur 2 est mis en série avec le générateur l. Quant aux soupapes semiconductrices 3 et 4, elles sont toutes deux bloquées. Ainsi, les deux générateurs d'électricité sont montés en série, et cela grâce uniquement à la commande du seul commutateur 5. Il est bien entendu que le circuit conforme à la présente invention et illustré à la figure l est donné à titre d'exemple non limitatif et que tout autre circuit réalisant 1'as- sociation adaptative de générateurs d'électricité polarisés grace a la double action de soupapes semiconductrices et de commutateurs constitue une variante possible du précédent, facilement concevable par l'homme de l'art. La figure 2 représente un exemple d'association de circuits conformes a la présente invention. Sept circuits, identiques à celui de la figure I, y ont été associés. Ainsi, on peut réaliser des associations série ou parallèle de générateurs, avec tout ou partie des associations mixtes série-parallèle intermédiaires qui sont concevables. Le circuit I comprend les générateurs 21 et 22, les soupapes semiconductrices 32 et 33 et le commutateur 46. De même, on aura - Circuit Il comprend 22,23 ; 34,35 ; 47. - Circuit III comprend 23,24 ; 36,37 ; 48. - Circuit IV comprend 25,26 ; 38,39 ; 49. - Circuit V comprend 27,28 ; 40,41 ; 50. - Circuit VI comprend 28,29 ; 42,43 ; 51. - Circuit VII comprend 29,30 ; 44,45 ; 52. Deux générateurs 20 et 31 ont été ajoutés à lten- semble des sept circuits, de manière non associative (ctest-å- dire sans diodes ni commutateur) afin de pouvoir assurer dans tous les cas d'associations de générateurs envisagées, la même valeur d'intensité pour chaque générateur. Le fonctionnement d'un tel ensemble de circuits dépend des positions des commutateurs, qui sont dans le cas présent des relais électromagnétiques à plusieurs contacts (ici 2 au maximum) , manoeuvrés soit manuellement, soit automatiquement. La figure 2 mentionne un organe 53 de commande des relais. Si tous les contacts de relais sont en position "circuit ouvert, on se place dans un cas limite, celui où tous les générateurs (ils sont au nombre de 12 sur la figure 2 > sont montés en parallèle, ce que l'on peut symboliquement représenter de la manière suivante Cette première configuration de circuit peut entre intéressante par exemple pour des générateurs photovolta1ques, lorsque, si l'intensité lumineuse est faible et que la tension nécessaire à l'utilisation est# peu élevée, on désire un débit relativement élevé.Ce peut être le cas au lever du soleil quand on veut actionner un moteur å courant continu pour lequel une intensité nominale est requise Puis l'intensité lumineuse staccroissant, et par là même le débit électrique, an bout d'un certain laps de temps, le fait de mettre en série les deux moities de la configuration de circuit précédente donne la même tension aux bor nes de l'u- tilisation que celle qui résultait de la configuration passée. Afin de réaliser cette deuxième configuration, on actionne le relais 1, noté RI sur la figure 2. Le contact 49 stétablit et les deux ensembles de générateurs 20, 21, 22, 23, pq, 25 et 26, 27, 28, 29, 30, 31 sont mis en série, ce que l'on peut représenter de la manière suivante Au fur et à mesure que le soleil monte, afin, par exemple, d'augmenter la tension appliquée â l'utilisation, il devient souhaitable de réitérer l'opération précédente. On actionne alors le relais 2 (R2), établissant les contacts 48 et 50, tandis qu'on relâche le relais 1. On obtient alors la troisième configuration de circuit suivante : Puis le relais 3 (R3) est actionné, ainsi que le relais i, et le relais 2 est relâché établissant les contacts 51, 49 et 47, et produisant la quatrième configuration suivante Enfin, relâchant R3, mais actionnant R4, R2 et RI, on établit les contacts 4tri, 48, 49, 50, 52 et on obtient une cinquième configuration par groupes de deux générateurs On voit alors l'intérêt que présente l'utilisation des deux générateurs extrêmes 20 et 31 non associés, permettant le groupement par deux uniforme des générateurs. Il est bien évident qu'on aurait pu aussi concevoir une association adaptative de circuits conformes à la présente invention, comportant une configuration où les générateurs sont tous en série et non groupés par deux comme dans le cas présent. La cinquième configuration précédente sera souhaitable au zénith du soleil. Passé le zénith, l'ordre inverse des configurations sera parcouru jusqu'au coucher du soleil. Cet ordre de configurations précédemment décrit a permis dans l'exemple de la figure 2, de réaliser des configu rations fournissant un débit électrique approximativement constant quelles que soient les conditions d'environnement (nuages, ensoleillement, dans le cas des générateurs solaires), c'est-àdire approximant une courbe-caractéristique à courant constant. Une courbe a' courant constant est donnéeà la figure 3. Pour l'établissement de cette courbe, on a supposé qu'aucune anomalie dans les conditions d'environnement (par exemple un nuage) n'est intervenue durant la journée. Cette courbe représentée à la figure 3, résulte de l'association adaptative de circuits représentée à la figure 2. L'utilisation y connectée consiste en un moteur à courant continu de 275 Watts de puissance maximale, entrainant une pompe à piston." Dans cet exemple le couple (et donc le courant moteur) est pratiquement indépendant de la vitesse (et donc de la tension moteur). Au lever du soleil la pompe commence a tourner à vitesse lente, à midi la vitesse (et donc le débit) est maximum ; ensuite la vitesse diminue pour retomber a' zéro au coucher du soleil. Pour cette application, il est donc important que le courant reste stable. Pour fournir la puissance demandée, on a disposé 960 cellules photovoltalques de 0,285 Watt de puissance de crête chacune. Cet ensemble de 960 cellules est composé de 48 sous-ensembles comprenant chacun 20 cellules mises en série. Un générateur au sens de la figure 2 comprendra 4 sous-ensembles associés en parallèle. Les différentes configurations de circuit obtenues pendant la journée sont indiquées sur la figure 3 et répertoriées ci-après : - Configuration I : 48 sous-ensembles en parallèle, c'est-à-dire 12 générateurs en parallèle ou 48 x (l x 20 cellules en série). - Configuration Il : fois 24 sous-ensembles en parallèle, ou 24 x (2 x 20) cellules - Configuration III : 3 fois 16 générateurs en parallèle ou 16 x (3 x 20) cellules - Configuration IV : 4 fois 12 générateurs en parAllèle \ ou 12 x (4 x 20) cellules À? - Configuration V : 6 fois 8 générateurs en parallèle ou 8 x (6 x 20) cellules Si le courant nominal du moteur est de 5, 5A, les courants par branche de générateurs seront pour les différentes configurations (conf.) - Conf. I 12 ampère. - Conf. Il 6 ampère. 55 - Conf. III :4 ampères - Conf. IV : 535 ampères 3 - Conf. V : 525 ampères 2 Pour chaque configuration, on peut alors en déduire la tension totale, ce qui a été porté sur la figure 3. Pour chaque niveau d'éclairement, on a choisi la configuration qui fournit la tension la plus élevés et on obtient alors la courbe en trait plein de la figure 3. Le changement de configuration est obtenu grâce à l'organe de commande 53 précédemment cité. Cet organe peut être un système électronique programmé de type courant, asservi à différents paramètres dont les valeurs résultent par exemple des conditions d'environnement, et permettant la commande des commutateurs. La courbe en marches d'escalier illustrée à la figure 3 permet d'approximer assez bien la courbe en pointillés semi-sinusoldale. Les parties hachurées expriment les pertes obtenues (dans ce cas, environ 5,8 %). La courbe semi-sinusoldale (en traits pointilles) correspond à la courbe théorique à courant constant. Dans le cas présent, l'utilisation requérait une alimentation à courant constant. Cependant, les autres cas peuvent se traiter de manière analogue : alimentation à tension constante, mais également alimentation à impédance constante. Grâce au choix et à l'arrangement des configurations, il est donc loisible de réaliser des sources d'énergie à caractéristiques constantes et/ou d'adapter les caractéristiques de la source d'énergie à celles de l'utilisation. Ainsi, dans de multiples cas la solution de l'association adaptative prônée dans le cadre de la présente invention présente des avantages intéressants. REVENDICATIONS 1. Circuit pour l'association adaptative de générateurs dtélectricité polarisés, caractérisé en ce que les connexions entre les générateurs s'effectuent par l'intermédiaire de soupapes semiconductrices et en ce qu'on dispose des commutateurs entre des bornes de polarités opposées desdits générateurs. 2. Circuit selon la revendication l, caractérisé en ce que les connexions entre les générateurs s'effectuent par l'intermédiaire de soupapes semiconductrices orientées dans un meme sens d'un générateur a un autre et en ce qu'on dispose des commutateurs entre les bornes de générateurs autres que celles auxquelles est connectée l'utilisation, lesdites bornes étant de polarités opposées. 3. Circuit selon l'une des revendications i et 2, caractérisé en ce que les générateurs d'électricité polarisés sont des capteurs photovoltaiques. 4. Circuit selon l'une des revendications l à 3, caractérisé en ce que les commutateurs sont constitués par des relais électromagnétiques. 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits relais électromagnétiques sont des relais à contacts multiples. 6. Association adaptative de générateurs d'électricité polarisés,caractérisée en ce qu'elle est constituée par un nombre déterminé de circuits identiques conformes aux revendications i a 5.