Brevet FR2956213A1 — publié le 20110812

-1- La présente invention concerne un dispositif électronique permettant la caractérisation électrique et la détection de défaillances électriques d'un module sur site, en mesurant individuellement la courbe caractéristique (I=f(V) û voir figure 2) de chaque équipement. Avec les nouvelles normes et changements nécessaires quant à l'approvisionnement en énergie, le développement des équipements photovoltaiques et de la cellule photovoltaique est en forte croissance. Dans ce qui suit, le terme équipement photovoltaique fera référence indifféremment à un équipement, un module ou même une cellule photovoltaique. Actuellement, une installation photovoltaique quelle qu'elle soit peut se décrire de la façon suivante : a) Des module photovoltaiques [1] sont reliés entre eux comme décrit dans la Figure 1 en série. b) Chaque série est reliée à l'onduleur [2] c) Le nombre de panneaux reliés en série est défini par la tension maximale acceptée en entrée par l'onduleur d) Le rôle de l'onduleur est de trouver le point de fonctionnement pour lequel le maximum de puissance [3] est disponible provenant des panneaux. Le rôle de l'onduleur est de déterminer le point de puissance maximum de la chaine complète constituée des panneaux en série [3] (voir figure 4). Une des limites de cette méthode est que l'équipement photovoltaique le moins performant détermine le point de fonctionnement de l'ensemble des panneaux connectés en série. Lorsque l'un des équipements est défaillant, celui ûci va réduire d'une façon notable le point de fonctionnement de l'ensemble de la chaine. Parvenir à identifier l'équipement défaillant permettrait d'augmenter considérablement la production électrique. Lorsqu'un équipement a une ombre (due à la poussière ou un élément extérieur) ou une panne, la caractéristique de l'équipement change (voir figure 3). -2- Il en résulte une perte notable de la production électrique du module photovoltaique. Il n'existe pas à ce jour de système permettant la caractérisation électrique sur site 35 et systématique de chaque module photovoltaique. Un équipement photovoltaique est caractérisé par sa courbe caractéristique I = f (V), (voir Figure 2). Cette caractéristique est fonction de l'ensoleillement au moment de la mesure. Spécifiquement, les fabricants de panneaux pratiquent des «Flash Tests », c'est-à-dire utilisent 40 des lampes spécifiques pour illuminer le panneau, et mesurer sa caractéristique. La mesure est effectuée avec une irradiation de 1000W/m2. Lorsqu'un phénomène d'ombre se présente sur l'équipement photovoltaique, la caractéristique électrique change, et lorsqu'une diode de bypass est présente sur l'équipement photovoltaique, la 45 courbe I =f(V) est comme le montre la figure 3. Lorsqu'une ombre permanente apparait sur le panneau, alors la réponse caractéristique du panneau est comme le montre la figure 3, lorsque qu'une diode de bypass est présente. 50 Lorsqu'une ou plusieurs cellules d'un module photovoltaique deviennent défaillantes, la réponse caractéristique du panneau est comme le montre la figure 3, lorsque qu'une diode de bypass est présente. Le dispositif selon l'invention permet de caractériser le comportement électrique d'un module 55 photovoltaique, et de détecter la présence d'ombre et/ou la défaillance d'une ou plusieurs cellules d'un module photovoltaique. Le dispositif selon l'invention consiste à proposer une méthode dynamique d'analyse de la courbe de réponse du panneau ou module photovoltaique sur site, c'est-à-dire construire la 60 - 3 courbe caractéristique similaire aux figures 2 et 3, d'analyser cette courbe mesurée (figure 5), et de déterminer la présence d'un ou plusieurs point d'inflexion [4] caractéristiques d'une défaillance. Cette méthode repose sur un dispositif électronique chargé d'analyser et transmettre les relevés de caractéristiques (voir figure 6). Ce dispositif électronique proposera également une méthode pour identifier chaque élément 70 photovoltaique défaillant. La présente invention a pour but de créer un moyen simple permettant d'équiper les équipements photovoltaiques de dispositifs de tests visant à optimiser la production électrique et faciliter la maintenance, et détecter la présence d'ombre et/ou ma défaillance d'une ou plusieurs 75 cellule en analysant la réponse caractéristique du panneau photovoltaique. L'invention concerne un dispositif électronique de caractérisation électrique et de détection de défaillances électriques d'un module relié en parallèle à chaque équipement (voir figure 7). 80 Ce dispositif sera auto alimenté par l'équipement photovoltaique. Il sera identifié par un unique numéro d'identification qui sera défini individuellement (voir figure 7). Ce dispositif communiquera par une liaison sans fil (Zigbee, bluetooth ou équivalent) vers un dispositif de réception et de contrôle (ordinateur, équipement électronique). Ce dispositif communiquera notamment : son numéro d'identification, différents points de mesure de la courbe caractéristique du équipement photovoltaique. 65 -4- La caractéristique de l'équipement photovoltaique sera déterminée grâce aux points de mesures effectués, puis modélisé par une interpolation pour déterminer le polynôme de Lagrange correspondant (voir Figure 5). Une méthode simple pour déterminer un quelconque défaut du équipement sera notamment, sans être exhaustif, de calculer si la dérivée seconde du polynome en un point change de signe, et/ou si le polynome de Lagrange a un degré supérieur à 2. 100 Une cellule référence sera utilisée pour normaliser la courbe caractéristique du équipement, afin d'être indépendant de l'ensoleillement au moment de la mesure (figure 12). La cellule référence servira à normaliser la courbe caractéristique, afin de discriminer si on est dans une situation sans ombre ou avec ombre sans diode de bypass Le dispositif selon l'invention permettant de remédier au problème comporte un boitier qui sera relié au module photovoltaique mesuré lui-même (comme le montre la figure 7). Chaque boitier (voir figure 6) comprendra : 110 1. Une charge active [5] servant à sourcer du courant venant de l'équipement, dont la charge sera pilotée par 2 interrupteurs électroniques [6] et [7] 2. Un élément de mesure du courant traversant cette charge [8] 3. Un élément servant à convertir la mesure du courant en tension [9] 4. Un élément servant à mesurer la tension de sortie de l'équipement [11] 115 5. Un micro-controlleur [12] (ou équivalent) servant à contrôler le point de mesure voulu (courant, tension), et construire ainsi la courbe caractéristique 6. Un élément servant à numérote de façon unique chaque dispositif [17] Le micro-controlleur construira une table (courant, tension), caractéristique de la réponse de 120 l'équipement, et recherchera le polynome de Lagrange correspondant. Le microcontrolleur 95 105 2956213 -5 enverra par une liaison avec ou sans fil les paramètres du équipement : numéro d'identification, degré du polynome, facteur de forme du équipement, données de la table La charge active (inducteur ù élément [5]) sera utilisée pour sourcer du courant du module photovoltaique. Lorsque la valeur du courant sourcé atteindra le seuil voulu (Ix), la tension du module sera mesurée (Vx) et le couple (Ix, Vx) sera ainsi constitué. 130 Afin de balayer l'ensemble de la courbe caractéristique (Figure 2), plusieurs points de mesures seront effectués selon la formule suivante: AI=VAt x L Où AT est la variation de courant dans l'inducteur At est le temps de charge de l'inducteur 135 L est la valeur de l'inducteur L'inducteur sera dimensionné de telle sorte qu'il pourra absorber une energie équivalente à : 125 (Eq. 1) (Eq. 2) Ex Une structure en demi-pont sera utilisé pour charger et décharger convenablement l'inducteur 140 (figure 9) La première étape est la charge de l'inducteur selon la figure 10. La flèche montre le sens de circulation du courant sourcé depuis le module photovoltaique. -6- 145 La deuxième étape est la décharge de l'inducteur selon la figure 11. La flèche montre le sens de circulation du courant lorsque l'inducteur est déconnecté du module photovoltaique. L'énergie stockée dans l'inducteur lors de la phase de charge est dissipée lors de la phase de décharge. Afin de mesurer le courant, une sonde de courant [8] pourra être utilisée. Cette sonde mesurera le courant lx recherché. Cette mesure sera convertie par un convertisseur courant ù tension 150 [9] et transmise à un convertisseur analogique ù digital [10] afin que le micro controlleur [12] puisse récupérer l'information. Le micro-controleur convertira ce signal, et analysera si le courant Ix a atteint le seuil recherché. Lorsque le micro-controleur ferme l'interrupteur [6], le courant Ix va augmenter suivant la loi Equation 1. Le courant circulera dans l'inducteur [5] selon la figure 10. 155 Lorsque Ix atteint le seuil recherché : a) le micro-controleur va mesurer la tension Vx correspondante b) le microcontroleur va ouvrir l'interrupteur [6] c) L'inducteur n'acceptant pas une discontinuité de courant (loi de Lenz), le courant va circuler via la diode de body de l'interrupteur [7] pendant le court laps de temps entre l'ouverture 160 de l'interrupteur [6] et la fermeture de l'interrupteur [7] par le micro-controleur. Une diode Shottky [18] pourra également être mise en parallèle de l'interrupteur [7] pour faciliter la transition. d) Après avoir ouvert l'interrupteur [6], le micro-controleur va fermer l'interrupteur [7] Une fois la table déterminée, le micro-controleur pourra déterminer le polynôme de Lagrange 165 satisfaisant les points relevés suivant la définition suivante : Soient n points distincts xo, x1, xn d'un intervalle fermé borné [a,b] de R, et une fonction f définie sur [a,b] à valeurs dans R, il existe un unique polynôme P de degré inférieur ou égal à n, -7- 170 tel que P(xi) = f(xi) pour i = 0, 1, n. Ce polynôme est donné par : ( X i=d ù Xf f(moi)JJ 1 j=0 Xi ù Xi }#i J Si ce polynôme est de degré strictement supérieur à 2, cela signifiera qu'il existe au moins un 175 point d'inflexion, caractérisant une défaillance potentielle du module photovoltaique. Un outil de diagnostique externe [14] (Figure 13) sera utilisé pour collecter les données de tous les modules photovoltaiques, analyser les données et retranscrire toutes les informations sous la forme d'une interface web. Une transmission sans fil type ZigBee sera 180 utilisée. Chaque module transmettra les données suivantes : 1. Son numéro d'identification : ce numéro est défini par un switch 8/16bits [17] 2. Les données de sa table (Vx, Ix) 3. Les coefficients de son polynôme de Lagrange Une cellule photovoltaique référence [16] (figure 13) sera utilisée pour normaliser l'ensemble des relevés faits, ceci afin de vérifier la courbe caractéristiques de chaque module en fonction de l'ensoleillement, et déterminer en lère analyse si le module photovoltaique fournit effectivement ou non la puissance garantie par le fabricant. 190 Cette cellule sera étalonnée de telle sorte qu'elle permettra de déterminer l'ensoleillement au moment de la prise de mesure. Une fois cette mesure effectuée, le micro-controleur pourra normaliser les courbes caractéristiques précédemment relevés, et calculer un ratio de production 185 -8- 195 entre le relevé pris et la courbe caractéristique théorique et afficher les résultats sur un organe d'affichage [15]. En fonction de l'ensoleillement, la puissance maximale développée diminue. En utilisant une cellule photovoltaique référence, nous sommes en mesure d'évaluer l'ensoleillement au moment de la mesure. En conséquence, si par exemple la courbe de mesure du module est comme la figure 200 12, si la cellule référence indique qu'au moment de la mesure, l'ensoleillement est de 800W/m2, et que la courbe mesurée se trouve bien en deçà de la courbe théorique, on pourra conclure que le module mesurée présente une défaillance. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à l'industrie des centrales photovoltaiques. Le dispositif sera réalisé et encapsulé dans un boitier hermétique. La mise en 205 oeuvre se fera lors de l'installation des modules photovoltaiques. Un dispositif électronique sera connecté en parallèle à chaque panneau photovoltaique. Le dispositif dans son boitier sera fixé sous le module photovoltaique afin qu'il soit protégé des intempéries. Au moment de l'installation du dispositif, l'installateur assignera son numéro d'identification. 210 Revendications1. Dispositif pour caractériser électriquement et détecter les défaillances électriques d'un module photovoltaique sur site caractérisé en ce qu'il comporte un boitier connecté sur les sorties positive et négative du module photovoltaique [1], et intégrant un dispositif électronique permettant la construction de la courbe caractéristique du module photovoltaique, 220 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif électronique source un courant de sortie du module photovoltaique et mesure la tension de sortie du module photovoltaique correspondante en boucle ouverte, 225 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif électronique comprend un micro-controleur [12], une charge active représentée par une charge inductive [5], une structure en demi-pont représentée par deux interrupteurs électroniques commandés par le micro-controleur permettant de charger ou décharger la charge active précédemment décrite, mesurera la courbe caractéristique du module photovoltaique, 230 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif électronique construit une table de données comprenant des couples (courant de sortie, tension de sortie) du module photovoltaique 235 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif électronique utilise la table de données précédemment construite et utilise localement les données pour déterminer le polynome de Lagrange correspondant 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le 240 dispositif électronique communique les données mesurées à un organe externe de contrôle par une connexion sans fil ZigBee ou équivalent 215 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif électronique communique les données mesurées à un organe externe de contrôle par une connexion filaire 250 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif électronique attribue de façon unique un identifiant au module photovoltaique sur lequel il est connecté 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le 255 dispositif électronique communique avec les autres dispositifs électroniques connectés sur chaque module photovoltaique son identifiant par une communication filaire 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif électronique communique avec les autres dispositifs électroniques connectés sur chaque 260 module photovoltaique son identifiant par une communication sans fil 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif électronique pourra être mis en oeuvre par un équipement externe par une communication sans fil 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif électronique pourra être mis en oeuvre par un équipement externe par une communication filaire 270 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif électronique pourra être mis en oeuvre par l'organe déterminant le point de fonctionnement du ou des modules photovoltaiques, permettant ainsi une détection automatique et continuelle d'une défaillance d'un ou plusieurs équipements. - 10 - 265. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le 280 dispositif électronique utilisera une cellule externe de référence mesurant l'ensoleillement au moment de la mesure 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif électronique utilisera cette cellule externe de mesure pour normaliser la courbe 285 caractéristique précédemment mesurée