Thèse Année : 2025

Cascaded DC/DC conversion with partial power management for concentrated solar photovoltaics

Conversion DC/DC cascadée à gestion partielle de puissance pour le solaire photovoltaïque à concentration

Philippe Camail
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1571867
  • IdRef : 286747006

Résumé

This thesis, conducted as a joint supervision between Université Lyon 1 and Université de Sherbrooke, proposes an innovative approach for improving the energy efficiency of concentrated photovoltaic (CPV) systems. The work begins with an introduction to the fundamental principles of CPV panels, which utilize multi-junction solar cells and Fresnel lenses to maximize photoelectric efficiency. Despite their high performances, these systems are hindered by significant losses caused by shading, misalignment, and the series and parallel interconnections of currently used panels. These limitations affect the ability to harness the maximum available energy. The main objective of the thesis is to design and evaluate specific DC/DC converters capable of addressing these constraints while remaining economically viable. The study focuses on Partial Power Conversion (PPC), a method offering a balance between improving energy efficiency and limiting additional costs. Unlike traditional full power conversions, PPC processes only a fraction of the total power, thereby reducing the size and losses in the power electronic parts. The choice of this conversion paradigm emerged from a techno-economic study based on the state-of-the-art in DC/DC converters used for CPV. The research includes detailed modeling of CPV systems, simulations of energy losses, and irradiance scenarios to better understand the impacts of phenomena such as partial shading. The selected solution for the DC/DC conversion stage added between the panels and the central inverter is based on cascading differential power control (DPC) buck-boost converters and active-clamp flyback converters operating in serial partial power conversion (S-PPC) mode. Two chapters are dedicated to their design and implementation respectively. The energy and economic analyses, supported by power electronic simulations and testing, demonstrate that the chosen topology offers promising results regarding the overall energy of CPV installations, without requiring a complete overhaul of existing infrastructures.

Cette thèse, menée en cotutelle entre l’Université Lyon 1 et l’Université de Sherbrooke, propose une approche novatrice pour améliorer l’efficacité énergétique des systèmes photovoltaïques à concentration (CPV). Le travail débute par une présentation des principes fondamentaux des panneaux CPV, qui utilisent des cellules solaires multi-jonctions et des lentilles de Fresnel pour maximiser l’efficacité photo-électrique. Ces systèmes, bien qu’efficaces, sont pénalisés par des pertes importantes dues à l’ombrage, au désalignement et aux interconnexions série et parallèle des panneaux utilisés actuellement. Ces limitations affectent la capacité à exploiter le maximum d’énergie disponible. L’objectif principal de la thèse est de concevoir et d’évaluer des convertisseurs DC/DC spécifiques capables de gérer ces contraintes tout en restant économiquement viables. L’étude se focalise sur la gestion partielle de puissance (PPC), une méthode qui offre un compromis entre l’amélioration de l’efficacité énergétique et la limitation des surcoûts. Contrairement à la gestion classique de puissance complète, la PPC permet de traiter uniquement une fraction de la puissance totale, réduisant ainsi les dimensions et les pertes dans l’électronique de puissance. Le choix de ce paradigme de conversion a émergé d’une étude technico-économique basée sur l’état de l’art des convertisseurs DC/DC utilisés pour le CPV. La recherche inclut une modélisation détaillée des systèmes CPV, des simulations des pertes énergétiques, et des scénarios d’irradiance pour mieux comprendre les impacts des phénomènes comme l’ombrage partiel. La solution retenue pour l’étage de conversion DC/DC ajouté entre les panneaux et l’onduleur central est basée sur la mise en cascade de buck-boosts à gestion différentielle de puissance (DPC) et de flyback active clamp fonctionnant en gestion partielle de puissance série (S-PPC). Deux chapitres sont dédiés à leur dimensionnement et leur réalisation. L’analyse énergétique et économique, appuyée par des simulations de l’électronique de puissance ainsi que des tests, démontre que la topologie choisie offre des résultats prometteurs concernant l’efficacité énergétique globale des installations CPV, sans nécessiter une refonte complète des infrastructures existantes.

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Dates et versions

tel-05214190 , version 1 (19-08-2025)

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  • HAL Id : tel-05214190 , version 1

Citer

Philippe Camail. Conversion DC/DC cascadée à gestion partielle de puissance pour le solaire photovoltaïque à concentration. Energie électrique. Université Claude Bernard - Lyon I; Université de Sherbrooke (Québec, Canada), 2025. Français. ⟨NNT : 2025LYO10063⟩. ⟨tel-05214190⟩
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