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RÉSUMÉ
L'objectif de ce texte est de présenter les nouvelles perpectives introduites par le développement des supercondensateurs. Parmi celles-ci sont à noter les divers modes de charge, les architectures autour du hacheur à accumulation capacitive ou encore les montages permettant une capacité par commande linéaire. Une première application est le stockage de l'énergie des sources renouvelables, une autre est l'asservissement d'un système fournissant de la puissance réactive. On retrouve le supercondensateur notamment dans le freinage d'une bicyclette électrique. Enfin, pour clôturer l’article, une étude économique est proposée.
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Michel PINARD : Normalien - Professeur agrégé hors classe - Professeur au Conservatoire national des arts et métiers et à l'ESIEE
INTRODUCTION
Stocker durablement ou non de l'énergie électrique consiste bien souvent à l'emmagasiner sous forme électromagnétique ou électrostatique, car c'est le moyen physique généralement le plus simple. On souhaite récupérer aisément cette énergie, avec le minimum de pertes, et dans un intervalle de temps très court.
L'arrivée des supercondensateurs de capacité largement supérieure à 1 000 F offre à l'ingénieur des perspectives nouvelles, en particulier la possibilité de stocker une énergie importante par élément. Ainsi, un supercondensateur de capacité égale à 1 000 F soumis à une tension d'environ 2,5 V peut emmagasiner une énergie supérieure à 3000 J ; et dans un cycle charge-décharge de période 10 s, la puissance mise en jeu est de l'ordre du kilowatt, ce qui est loin d'être négligeable en Électronique de puissance pour un seul élément de stockage.
À titre de comparaison, il faudrait utiliser une bobine d'inductance 0,1 H traversée par un courant d'environ 250 A pour stocker la même énergie. Le volume et la masse de ce composant seraient alors beaucoup plus importants que ceux du supercondensateur, à énergie emmagasinée équivalente.
Que faire de cette énergie ? En la récupérant facilement, et surtout rapidement, on facilite les échanges de puissance dans les convertisseurs, à condition d'adapter leur architecture.
En la stockant durablement, on dispose d'une réserve de secours ou d'appoint d'autant plus intéressante, que l'autodécharge des supercondensateurs est faible.
Le but de ce dossier est de présenter quelques perspectives envisageables d'utilisation des supercondensateurs, en partant de leurs caractéristiques actuelles, en 2012.
Pour optimiser les cycles charge – décharge, et donc pour exploiter au mieux l'importante énergie stockée, il faut que l'environnement d'une batterie de supercondensateurs soit adapté aux performances de ses composants. On se base sur les caractéristiques fournies par le constructeur. Cette optimisation est aujourd'hui possible en utilisant des convertisseurs de puissance adéquats, équipés de diodes, et surtout de transistors MOSFET ou IGBT.
En définitive, le supercondensateur trouve toute sa place dans de nombreux systèmes automatisés. Des exemples caractéristiques sont présentés.
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MOTS-CLÉS
Supercondenateurs Transport Energies renouvelables Bicyclette électrique Electronique de puissance
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Stockage durable dans des supercondensateursArticle inclus dans l'offre
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1. Principe du stockage de l'énergie électrique
1.1 Stockage dans des éléments passifs
Le stockage de l'énergie électrique dans des éléments passifs fait appel à des champs confinés dans des volumes limités :
-
le champ d'excitation magnétique H dans l'espace situé dans un circuit magnétique d'une bobine ; l'énergie emmagasinée volumique v (en J · m–3) est alors :
avec :
- μ0 :
- perméabilité du vide,
- μr :
- perméabilité relative du matériau constituant le circuit magnétique, supposé se comporter en régime linéaire.
-
le champ électrique E dans l'espace situé entre deux plaques conductrices d'un condensateur ; l'énergie emmagasinée volumique v (en J · m–3) est alors :
avec :
- e0 :
- permittivité du vide,
- er :
- permittivité relative de l'isolant.
Les limites physiques sont la saturation pour le champ magnétique H trop important dans le circuit magnétique constituant une bobine, ou le risque de claquage de l'isolant pour un champ électrique E trop élevé. En ce qui concerne les supercondensateurs, on atteint des limites d'énergie stockées de l'ordre de 5 Wh/L ou 5 Wh/kg, soit une énergie massique W s = 18 000 J/kg...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AZAN (J.-L.) - Précis d'électronique. - Éditions Breal (1998).
-
(2) - JENKINS (N.) - Électrotechnique des énergies renouvelables et de la Cogénération (en traduction française). - Éditions Dunod (2008).
-
(3) - GUALOUS (H.), BOUQUAIN (D.), BERTHON (A.), KAUFFMANN (J.M.) - Experimental study of supercapacitor serial resistance and capacitance variations with temperature. - Journal of Power sources, no 123, p. 86-93 (2003).
-
(4) - BULLARD (G.L.), SIERRA-ALCAZAR (H.B.), LEE (H.L.), MORRIS (J.L.) - Operating principles of the ultracapacitor. - IEEE Transactions On Magnetics, vol. 25, no 1, janv. 1989.
-
(5) - PINARD (M.) - Convertisseurs et électronique de puissance. - Éditions Dunod (2007).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
PSIM logiciel de simulation de systèmes de puissance http://www.powersimtech.com
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs (liste non exhaustive)
SEMIKRON http://www.semikron.com
MAXWELL http://www.maxwell.com
LS UC http://[email protected]
CREE http://www.cree.com/power
INTERNATIONAL RECTIFIER http://www.irf.com
FAIRCHILD http://www.fairchildsemi.com
UWE http://www.uweelectronic.de/fr/gestion-de-temperature/modules-peltier.html
ANALOG DEVICES http://www.analog.com/en/index.html
Capteur puissance réactive
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