Brevet FR2412194A1 — publié le 19790713

La présente invention concerne un système optimisé constitué par un moteur électrique alimenté par un générateur à effet photovoltalque. Un tel générateur à effet p'notovoltaique est dans le domaine d'application de la présente invention un générateur solaire, dans lequel s'opère la conversion directe de l'énergie solaire, et qui alimente un moteur électrique. Dans un tel système, le coût des cellules photovoltalques constitue généralement la part prépondérante du coût total du système. Il est donc important d'extraire des cellules la puissance maximale qu'elles sont susceptibles de fournir sour un éclairement donne. En effet, Si cette puissance n'est que partiellement utilisée, il faut multiplier dans le meme rapport la surface active des cellules et donc leur coût. Suivant l'art antérieur on a déjà essayé d'associer un générateur photovoltalque à un moteur électrique. Dans une première catégorie de dispositifs, le générateur solaire est couplé directement à un moteur électrique à aimant perma- nent, ou dont l'inducteur est alimenté directement par le générateur. Cependant un tel couplage direct ne permet pas de tirer du génerateur la puissance maximale qu'il peut fournir lorsque l'éclairerent varie dans de grandes proportions. Dans une deuxième catégorie, on interpose, entre le générateur à effet photovoltaSque et le moteur, une batterie d'accumulateurs. La batterie présente l'avantage que l'intensité du courant demandé par le moteur peut être très différente de celle que peut fournir le générateur sous un éclairement donné. Cette différence d'intensité est absorbée par la charge ou la décharge de la batterie. I1 est alors possible d'optimiser séparément le couplage du générateur à la batterie, d'une part, et de la batterie au moteur, d'autre part. Toutefois, le rendement énergétique d'une batterie d'accumulateurs, c'est-à-dire le rapport entre la quantité d'énergie injectée à la charge et la quantité d'énergie restituée à la décharge excède difficilement 70%.Cette perte d'énergie doit entre -compensée par un surdimensionnement du générateur photovoltal- que, et donc par une augmentation substantielle de son coût. Dans ce montage, la batterie d'accumulateurs joue également le rôle de tampon, et permet le fonctionnement du moteur lorsque l'éclairement est devenu faible ou nul, notamment pendant la nuit. Mais, dans un certain nombre d'applications, telles que le pompage, cette possibilité de stockage de l'énergie ne constitue pas un avantage déterminant, car on peut, par exemple, stocker facilement l'eau pompée et se contenter d'un fonctionnement intermittent du système limité aux heures d'ensoleillement Il est bon également de souligner que la batterie d'accumulateurs exige un entretien qu'il n'est pas toujours facile d'assurer dans certaines régions désertiques, qui bénéficient par ailleurs d'un fort ensoleillement particulièrement attrayant pour l'exploitation de 1énergie solaire. L'objet de l'invention est de définir un système générateur pbotovoltaique, moteur électrique qui échappe aux inconvénients releves dans l'art antérieur Il est aussi de définir un système générateur photovoltalque, moteur électrique qui soit optimisé c'est-à-dire définir les conditions dans lesquelles les cellules d'un générateur pbotovoltaique délivrez; leur puissance optimale, étant entendu que cette puissance optimale tend vers la puissance maximale. Suivant l'invention le système constitué par un générateur à effet photovoltalque et un moteur électrique alimenté Far ce générateur, comprend un circuit d'asservissement établi aux bornes du moteur et doté de moyens qui lui font maintenir constante la force contre-électromotrice du moteur quelles que soient les conditions d'éclairement de générateur pnotcv.oltaique D'autres. avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description d'exemples de réalisation du système, donnée à l'aide des figures qui représentent :: - la figure 1, un jeu de caractéristiques courant tension d'un générateur photovoltaique, - la figure 2, une première variante de l'invention et - la figure 3, une seconde variante de l'invention Suivant l'invention, pour optimiser le système moteur électrique générateur photovoltalque, on établIt un circuit d'asservissement aux bornes du moteur, dont le but est de maintenir constante la force contre-électromotrice (f.c.e.m) du moteur et ce, quelles que soient les circonstances. Pour mieux saisir l'esprit de l'invention, on recherche dans quelles conditions un générateur pbotovoltaique délivre sa puissance maximale. On se reporte à la figure 1 qui représente 1'allure générale des caractéristiques courant (i) - tension (V) 'un générateur pho tovoltaique. Les courbes caractéristiques reprasentées sont relatives à diverses valeurs du flux lumineux incident, ~=~ exemple la courbe 1 pour un flux de 1 kW/m2, la courbe 2 pour 0,5 sW/m2, la courbe 3 pour 0,25 kw/m. Pour chaque valeur de l'éclairement, il existe un couple de valeurs i, V pour lequel la puissance fournie par le générateur photovoltalque est maximale. L'ensemble des points figuratifs de ces couples de valeurs aux divers éclairements déterminent une courbe S représentée en pointillé sur la figure 1. Le problème que veut résoudre l'invention serait résolu si la caractéristique couranttension du moteur électrique associé au générateur photovoltaique coïncidait avec la courbe S. Ceci n'est pas réalisable dans la pratique, mais on peut admettre que l'on sen écarte légèrement sans que la puissance extraite varie sensiblement, les points figuratifs s'écartant peu des valeurs optimales. Si, par exemple, on tolère un écart de 5% en puissance par rapport à l'optimum, il suffit que les points figuratifs se situent dans la zone comprise entre les courbes S' et S" de la figure 1, ces courbes étant les lieux des points figuratifs pour lesquels la puissance extraite est de 5% inférieure à la valeur maximale. On peut se fixer comme caractéristique courant-tension du moteur une droite telle que T, entièrement comprise entre les courbes S' et S", et qui de préférence passera par le point figuratif optimum A pour l'éclairement maximal. C'est en effet lorsque la puissance susceptible d'être fournie par la cellule est maximale qu'on a intérêt à l'utiliser au maximum, quitte à perdre un peu de puissance en valeur relative, mais très peu en valeur absolue, aux faibles éclairements. On peut passer à une étude mathématique du problème. L'équation de la droite T peut être mise sous la forme (1) V =Pi + Vo dans laquelle1 et Vo sont spécifiques de chaque générateur photo voltalque . Si l'on compare l'équation (1J avec celle du moteur électrique (2) V = r i + e où r est la résistance ohmique des enroulements et e la force contre-électromotrice, on constate que le mode de fonctionnement optimal est obtenu lorsque r pet e = Vo. La condition r =P peut être satisfaite en jouant sur la section des enroulements et le nombre de tours, et aussi éventuellement en combinant plusieurs générateurs en série ou en parallèle. C'est ainsi que, lorsqu'on passe du montage série au montage parallèle de deux générateurs identiques, le paramètre de l'ensemble varie dans le rapport de 4 à 1. La seconde condition e = Vo = constante quel que soit l'éclairement pour un type de générateurs photovoltaiques donné et pour une configuration série-parallèle donnée et qui est une caractéristique de l'invention est étudiée dans ce qui suit. La force contre-électromotrice d'un moteur électrique est donnée par la formule classique. (3) e = k wf dans laquelle Lu est la vitesse de rotation, le flux inducteur et k un paramètre caractéristique du moteur. La condition e = constante ne peut etre satisfaite en général par un moteur à aimant permanent, ou dont l'inducteur est alimenté directement par le générateur photovoltalque. En effet, dans un moteur à aimant permanent ou à caractéristique "shunt", le flux inducteur pl est sensiblement constant. La condition e = constante impose alors la contrainte de la vitesse de rotation du moteur constante, ce qui n'est pas généralement acceptable. Si le moteur est à caractéristique "série", le flux inducteur est imposé par l'intensité du courant qui traverse le moteur, et par conséquent par la puissance demandée à celui-ci. Pour que la condition e = constante soit satisfaite, il faut que la vitesse de rotation du moteur soit donnée par la puissance maximale que peut fournir la - cellule.Ceci est une contrainte qui ne peut être acceptée. Suivant l'invention on définit les moyens qui permettent à la condition e égale constante, d'être satisfaite c'est-a-dire qui permettent d'extraire du générateur photovoltaîque toute la puissance qu'il peut fournir sous un éclairement donné, tout en laissant la possibilité de faire varier la vitesse de rotation du moteur dans de très larges limites. Suivant une première variante de l'invention représentée figure 2, on etablit aux bornes du moteur coupla au générateur photovoltaique un circuit d'asservissement mainLenant constant le produit du flux et de la vitesse de rotation du moteur quelles que soient les conditions d'éclairement du générateur photovoltalque. Sur la figure 2 on a représenté le moteur 5 dont les bornes 50 et 51 sont connectées aux bornes de sortie du générateur 16 photo voltalque. 'l'enroulement 7 constitue l'inducteur du moteur 5. Ltenroulement 6 constitue l'inducteur d'une génératrice tachymé- trique montée sur l'arbre du moteur 5 dont la sortie est connectée à un amplificateur différentiel 10 dont uneautre entrée est connectéa-à un générateur de tension de référence constitué par un stabilisateur de tension 8 et un diviseur de tension 9. ha sortie de 19 amplificateur 10 est connectée à la base d'un transistor Il dont le collecteur est connecté à l'inducteur de la génératrice tachymétrique 6.Le fonctionnement d'un tel dispositif qui a pour but d'asservir comme cela a été dit, le flux 16 à la vitesse de rotationWdu moteur est le suivant: Le générateur tachymétrique 4 qui peut être du type dynamo à courant continu ou un alternateur et qui est monté sur l'arbre du moteur 5 fournit dans ce dernier cas un courant alternatif qui est redressé et filtré. 'l'inducteur 6 du générateur tachymétrique étant monté en série avec l'inducteur 7 du moteur 5, et;. par construction, les courbes d'aimantation des inducteurs des machines 4 et 5 étant identiques, les flux inducteurs dans les deux machines sont les mêmes, et le générateur tachymétrique fournit une tension u proportionnelle à .La tension u d'une part, et, d'autre part, une tension de référence uo fournie, par exemple, par un stabilisateur de tension 8 du type diode Zener suivie d'un diviseur de tension 9 réglable, sont appliquées à l'entrée d'un amplificateur différentiel 10, lequel commande un transistor 11 ou tout autre dispositif susceptible de remplir les mêmes fonctions. Le courant de sortie du transistor 1l est dirigé sur les enroulements inducteurs 6 et 7. Le point de fonctionnement du transistor il est choisi de façon que le produit ss Watteigne, en régime établir la valeur recherchée Vo/k proportionnelle à la force contre-électromotrice du moteur lorsque la tension å l'entrée de l'aoplificateur 10 est nulle.Tout écart par rapport à cette condition entraînera l'appa- rition d'une tension différentielle, positive ou négative, a 1'entrée de l'amplificateur 10, et celui-ci fera varier le courant fourni par le transistor 11 dans le sens qui convient pour ramener l'écart à une valeur nulle La figure 3 représente une seconde variante du dispositif suivant l'invention dans lequel on peut éviter l'utilisation d'une génératrice tachymétrique dans la boucle d'asservissement. A cet effet, on branchez en serine avec le rotor du moteur 5, une résistance de faible valeur 12, et aux bornes du rotor, un diviseur de tension 13.Si n désigne le rapport de réduction du diviseur 13, le rapport entre la valeur r' de la résistance 12 et la résistance ohmique r du rotor est choisi égal à l/(n-l). Dans ces conditions, on recueille entre les points 14 et 15 une tension égale à e/n, par exemple e/10 si n = 10. En effet, la force contre-électromotrice e du moteur est égale à V - (r + r') i = V - ri (1 * 1) = V - ri n n-l n-' tandis que la tension entre les points 14 et 15 est : V - r 'i = V - ri n n n-l Cette tension est appliquée à l'une des entrées d'un amplificateur différentiel 10 semblable à celui représenté figure 2, dont l'autre entrée est branchée, à une tension de référence fournie par un stabilisateur de tension 8 et un diviseur réglable 9. La tension a' la sortie du diviseur est égale à Vo/n, en l'occurrence Vo/10. Comme dans la première variante, l'amplificateur 10 commande le courant du transistor 11, ou d'un dispositif équivalent. Ce courant est dirigé sur l'inducteur 7 du moteur. De la T(me façon que précédemment, le courant inducteur fourni par le transistor s'ajuste automatiquement de façon que la tension différentielle à l'entrée de l'amplificateur 10 s'annule, c'est-à-dire de façon que soit satisfaite la condition recherchée e = Vo, c'est-à-dire e = VO. n n On notera que dans les deux variantes écrites du dispositif le générateur photovoltalque 16, alimente outre le moteur 5, tous les dispositifs électroniques utilisés. On notera également que sans sortir du cadre de l'invention on peut remplacer la résistance 12 par tout autre dispositif fournissant une tension proportionnelle au courant qui le traverse, basé par exemple sur.l'effet Eaîl ou la saturaon d'un circuit magnétique. Ces variantes du dispositif suivant l'invention sont signalées sans qu'il soit besoin de les représenter. Dans les dispositifs qui viennent d'être décrits, on pourra remarquer-qu'au qu'au démarrage du moteur, le générateur photovoltalque 16 fonctionne pratiquement en court-circuit. La tension qu'il fournit est faible et le transistor est sous alimenté ; il ne peut donc fournir qu'un faible-courant dans l'inducteur, de sorte que le couple au démarrage peut être insuffisant dans certains cas. I1 est judicieux de remédier à cet inconvénient et plusieurs solutions peuvent être proposées. Dans une première solution, on prévoit un enroulement inducteur auxiliaire monté en série avec le rotor. Au démarrages cet enroulement auxiliaire,traversé par un courant intense, fournira un flux inducteur important Dans une deuxième solution, on prévoit un aimant permanent auxiliaire fournissant une-partie du flux inducteur.l' adjonctlon de cet aimant tend a' compliquer la construction du moteur, mais il permet de réduire la consommation d'énergie dans l'inducteur, puisque l'asservissement n'a plus à assurer la production que d'une partie seulement du flux inducteur Dans une troisième solution, on prévoit une petite batterie auxiliaire, chargée préalablement par le générateur photovoîtaîque, réservée exclusivement à l'alimentation du disppsitif d'asservisse ment-, et à qui on ne demande donc de stocker qu'une quantité d'énergie minime ; Dans une quatrième solution, on prévoit l'utilisation d'un générateur photovoltalque auxiliaire pour l'alimentation du dispositif d'asservissement. On a ainsi décrit un système optimisé constitué par un moteur électrique alimenté par un générateur à effet photovoltalque. REVENDICATIOS 1. Système optimisé constitué par un moteur électrique couplé à un générateur à effet photovoltaique dans lequel l'inducteur du moteur est alimenté directement par le générateur, carac térisé par le fait qu'il comprend un circuit d'asservissement monté aux bornes du moteur dans lequel un amplificateur différentiel reçoit une tension proportionnelle a' la force co=-:re-electromotrice du' moiteur et une tension de référence et alimente un dispositif amplificateur monté en série avec l'enroulement inducteur du moteur, le circuit d'asservissement maintenant constante la force contre-électromotice du moteur. 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une des entrées de l'amplificateur différentiel est connectée à un générateur tachymétrique, calé sur l'arbre du moteur, et dont l'inducteur est monté en série avec l'inducteur du moteur. 3. Système suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une des entrées de l'amplificateur différentiel est connectée à un circuit diviseur de tension monté aux bornes du moteur et fournissant une tension proportionnelle à la tension d'alimentation du moteur, comportant un dispositif monté en série avec le moteur et fournissant une tension proportionnelle au courant qui le traverse. 4. Système~suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que le diviseur de tension et la résistance connectée en série avec le moteur sont montées de façon telle que les tensions recueillies à leurs bornes respectives sont en opposition. 5. système suivant l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le dispositif amplificateur connecté à l'inducteur du moteur est un transistor. 6. Système suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que le dispositif en série avec le moteur est une résistance ou un dispositif basé sur l'effet EALL ou la saturation d'un circuit magnétique. 7. Système suivant l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif auxiliaire produisant au démarrage du moteur un flux inducteur supplémentaire. 8. Système suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que le dispositif auxiliaire est constitué par un enroulement série auxiliaire, un aimant permanent, une batterie d'accumulateur ou un générateur photovoltalque auxiliaire.