Brevet FR2953026A1 — publié le 20110527

-1- Cette invention concerne la gestion électronique et informatique de détection 5 de défaillance des panneaux solaires photovoltaïques montés en série à des fins de production de courant électrique. Les systèmes liés au traitement de la défaillance des cellules photovoltaïques traitent essentiellement de procédés de consolidation et non de détection. Le brevet WO9503631 de ALBRIGHT SCOT P [US]; DUGAN LARRY M 10 [US] concerne « plusieurs conceptions de module photovoltaïques destinées à protéger le module contre des chocs horizontaux et verticaux, contre la dégradation du rendement des cellules photovoltaïques provoquée par l'humidité et contre des gradients de température ». Des systèmes électroniques proposent une protection des panneaux solaires 15 photovoltaïques contre le vol. Le brevet FR 2853469 de SCHWEITZ GUY; ALZIEU JEAN; TORCHEUX LAURENT concerne « des panneaux comportant en outre des moyens de détection d'une situation de vol pour produire une neutralisation de la fonction de production d'électricité de ce dernier en réponse à ce vol, le panneau étant 20 caractérisé en ce que les moyens d'optimisation incluent des moyens de traitement numérique et en ce que les moyens de neutralisation du panneau sont constitués au moins partiellement par ces mêmes moyens de traitement numérique » De systèmes électroniques proposent une surveillance globale du réseau de production électrique par un système à cellule photovoltaïque. 25 Le brevet EP 1918727 de PRIOR OLIVER [DE]; JUCHEM RALF DR [DE]; VICTOR MATTHIAS DR [DE]; FRANK OLIVER [DE]; SCHLABBACH JUERGEN [DE] propose « un procédé pour la surveillance d'un générateur photovoltaïque pour la production de courant avec un certain nombre de cellules solaires connectées entre deux raccords extérieurs, par alimentation répétée d'un 30 courant avec un spectre de fréquence dans le circuit générateur, avec chaque fois détection d'une réponse fréquentielle dans le spectre de fréquence avec le courant 2953026 -2- alimenté en tant que grandeur d'entrée et d'une grandeur électrique du générateur en tant que grandeur de sortie, et détection d'une modification de la réponse fréquentielle pour la surveillance du générateur photovoltaïque , au cas où une modification à lieu lors d'une répétition de l'alimentation. » Chaque panneau solaire photovoltaïque est constitué par un ensemble de blocs de cellules photovoltaïques connectés en série. L'énergie électrique produite par un panneau solaire photovoltaïque est liée à la transformation de l'énergie lumineuse reçue à la surface de chaque cellule photovoltaïque en énergie électrique selon l'effet photoélectrique. L'énergie produite est un courant électrique continu. La tension électrique aux bornes du réseau de panneaux solaires photovoltaïques est la somme des tensions électriques mesurées aux bornes de chaque panneau solaire photovoltaïque. Le courant électrique continu produit par les panneaux solaires photovoltaïques connectés en série est transformé en courant électrique alternatif ayant une fréquence comprise entre 50 Hz et 60 Hz et sous une tension électrique comprise entre 110 Volts et 220 Volts selon les pays, à l'aide d'un dispositif appelé onduleur qui permet l'accumulation et la transformation du courant électrique continu en courant électrique alternatif. Une baisse de puissance de l'énergie électrique en provenance du réseau de panneaux solaires photovoltaïques a un effet sur la production de courant alternatif produit par l'onduleur, cet effet pouvant être retardé par l'adjonction d'une batterie d'accumulation d'énergie servant alors de relai de puissance. L'intensité du courant électrique produit par les panneaux solaires photovoltaïques, et la tension électrique mesurée aux bornes d'un réseau de panneaux solaires photovoltaïques, peuvent varier selon l'énergie lumineuse reçue par les panneaux solaires photovoltaïques et par la température à laquelle sont portés les panneaux solaires photovoltaïques. D'autres facteurs peuvent intervenir dans la variation de l'énergie électrique produite par un réseau de panneaux solaires photovoltaïques. L'énergie lumineuse reçue à la surface des panneaux solaires photovoltaïques peut varier suite à un 2953026 -3- dépôt de végétaux sur la surface des panneaux solaires photovoltaïques tels que les feuilles des arbres ou encore la production de mousses, d'algues ou de lichens qui apparaît sur les toitures après quelques années suivant la localisation géographique des bâtiments. 5 L'énergie lumineuse reçue à la surface des panneaux solaires photovoltaïques peut également varier par dépôt sur la surface des panneaux solaires photovoltaïques de poussières ou de pluie chargée en particules d'origines diverses telle que la pluie de sable en provenance des régions désertiques (désert du Sahara par exemple). 10 La production de courant électrique est affectée par cette variation de l'énergie lumineuse entre la valeur attendue et la valeur constatée. La détérioration physique ou chimique d'un ou plusieurs panneaux solaires photovoltaïques peut également modifier la production de courant électrique. On notera le vieillissement naturel des cellules photovoltaïques ; On notera la 15 détérioration mécanique liée à la grêle lorsque celle-ci vient à détruire des toitures totalement ou partiellement ; On notera le passage humain accidentel sur les panneaux solaires photovoltaïques lors d'une intervention sur toiture ; On notera les ruptures mécaniques liées à de brusques et répétés changements de température On notera la corrosion liée à l'air marin en bord de mer; On notera l'apparition 20 d'humidité à l'intérieur des panneaux solaires photovoltaïques liée à des défauts d'étanchéités ; On notera le poids de la neige en hiver et en altitude ; On notera la dégradation des structures mécaniques liée à la présence d'eau par infiltration à l'intérieur des panneaux solaires photovoltaïques et transformation en glace à des températures inférieures au zéro degré Celsius. 25 La figure 1 présente le schéma de principe de connexion des panneaux solaires photovoltaïques connectés électriquement en série et reliés à un dispositif onduleur permettant de produire un courant électrique alternatif. Les panneaux solaires photovoltaïques disposent chacun de deux câbles d'interconnexion. Un des deux câbles possède un embout male, et l'autre câble possède un embout femelle 30 permettant une mise en série par connexion des panneaux solaires photovoltaïques. 2953026 -4- L'ensemble ainsi constitué des panneaux solaires photovoltaïques et de l'onduleur forme un réseau électrique primaire monté en série et en boucle fermée. La production d'énergie de courant alternatif est alors effectuée par l'onduleur sur un circuit secondaire au réseau de production provenant des panneaux solaires 5 photovoltaïques. Lors d'une détérioration d'un ou plusieurs panneaux solaires photovoltaïques liée à l'une des causes citées précédemment en exemple, ou d'une manière générale liée à tout autre cause modifiant le fonctionnement prévu du panneau solaire photovoltaïque, la détection s'effectue au niveau de l'onduleur sur la partie 10 primaire d'alimentation en courant continu provenant du réseau de panneaux solaires photovoltaïques à l'aide d'un appareil de mesure de la tension électrique au borne de celui-ci et de l'intensité électrique fournie par le réseau de panneaux solaires photovoltaïques. Cette mesure permet d'effectuer une comparaison entre la valeur attendue en intensité électrique et tension électrique en fonction de l'énergie 15 lumineuse mesurées et reçue par les panneaux solaires photovoltaïques et de la température ambiante mesurée. Cette comparaison s'effectue entre les valeurs mesurées et les valeurs attendues dans des conditions normales de fonctionnement et enregistrées dans des abaques liants l'intensité électrique produite, la tension électrique mesurée pour une température donnée et une énergie lumineuse donnée. 20 Ces abaques sont représentatifs du fonctionnement normal de l'installation. Lorsque le défaut de fonctionnement est constaté, rien ne permet d'identifier automatiquement le ou les panneaux solaires photovoltaïques responsables du défaut de fonctionnement. La solution consiste à effectuer une détection visuelle permettant d'observer 25 une modification de la structure des panneaux solaires photovoltaïques telle que des ruptures mécaniques, l'apparition de traces d'humidités ou de corrosions ou encore des variations dans la couleur des cellules photovoltaïques indiquant un phénomène de brulure ou de variation chimique de la structure des cellules photovoltaïques. -5- Lorsque l'accès au panneau solaire photovoltaïque est difficile, ce qui est le cas pour une installation sur toiture pentue, ou lorsqu'aucun élément visuel ne permet d'identifier le ou les panneaux solaires photovoltaïques responsables du défaut de fonctionnement, la seule solution consiste à démonter l'ensemble de l'installation photovoltaïque puis à effectuer des mesures unitaires de l'intensité du courant électrique produit et de la tension électrique aux bornes de chacun des panneaux solaires photovoltaïques constituant l'installation. Cette invention propose un mécanisme de contrôle électronique et informatique permettant de localiser plus rapidement et sans intervention manuelle le ou les panneaux solaires photovoltaïques responsables du dysfonctionnement de l'installation photovoltaïque de production d'énergie électrique évitant ainsi de démonter l'ensemble de l'installation pour déterminer le ou les panneaux solaires photovoltaïques responsables du dysfonctionnement. Le principe de l'invention proposée consiste à positionner aux bornes de chaque panneau solaire photovoltaïque un module électronique de mesure de la tension électrique produite par le panneau solaire photovoltaïque. Nous appelons ces modules électroniques «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation». La figure 2 présente le schéma de principe de positionnement des modules «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» dans une installation de panneaux solaires photovoltaïques et représentés par le sigle « IDD ». Chaque panneau solaire photovoltaïque dispose de deux câbles d'interconnexion permettant de fournir l'énergie électrique provenant des cellules photovoltaïques du panneau solaire photovoltaïque au réseau d'interconnexion des panneaux solaires photovoltaïques. Ces deux câbles d'interconnexion sont reliés aux modules «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» à des fins de mesures de tension électrique et d'intensité électrique ainsi qu'à des fins de transmission de l'énergie électrique au réseau d'interconnexion des panneaux solaires photovoltaïques. Les modules «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» possèdent eux aussi deux câbles d'interconnexion permettant de transmettre l'énergie provenant du panneau solaire photovoltaïque au réseau d'interconnexion de panneaux solaires -6- photovoltaïques. Un des deux câbles possède un embout male, et l'autre câble possède un embout femelle permettant une mise en série par connexion des panneaux solaires photovoltaïques au travers des modules «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation». L'ensemble ainsi constitué forme un réseau électrique primaire de production d'énergie électrique monté en série avec l'onduleur, délivrant un courant électrique continu et formant une boucle fermée. Les modules «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» peuvent également être physiquement intégrées à l'intérieur de chaque panneau solaire photovoltaïque à partir du moment où la structure de ces derniers permet l'intégration d'une carte électronique correspondant à un module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» à l'intérieur des panneaux solaires photovoltaïques. Le principe de fonctionnement et de connexion du module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» reste le même dans ce cas là au fonctionnement décrit dans cette invention. Le principe de fonctionnement d'un module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» est d'effectuer une mesure de la tension produite aux bornes du panneau solaire photovoltaïque auquel il est connecté afin de transmettre cette information à un système informatique distant à l'aide d'une technologie à courant porteur en ligne par modulation de fréquence ou tout autre principe d'échange de données à courant porteur en ligne. Le module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» est alimenté en courant électrique par le panneau solaire photovoltaïque auquel il est connecté. Lorsque le panneau solaire photovoltaïque ne produit pas assez d'énergie électrique pour faire fonctionner le module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation», le module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation » déconnecte le panneau solaire photovoltaïque des autres panneaux solaires photovoltaïques du réseau d'interconnexion des panneaux solaires photovoltaïques et crée un shunt de dérivation permettant ainsi d'éviter une rupture du réseau de production de l'énergie électrique par le réseau de panneaux solaires photovoltaïques et devient alors un élément transparent pour le réseau électrique d'interconnexion des -7- panneaux solaires photovoltaïques. Cette déconnexion ou shunt passif, provenant d'un relai revenant à son état passif ou au repos, est automatique et ne nécessite aucune énergie de fonctionnement. Ce mode déconnecté peut également être obtenu à l'aide d'une commande envoyée au module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation » afin de supprimer du réseau de panneaux solaires photovoltaïques un panneau solaire photovoltaïque possédant une résistance trop élevée et limitant ainsi la valeur de l'intensité du courant électrique continu produit, ou pour toute autre raison liée à la maintenance du réseau de panneaux solaires photovoltaïques. L'objet de cette invention est de permettre d'accéder à la mesure de la tension électrique effectuée aux bornes de chaque panneau solaire photovoltaïque constituant le réseau de production d'énergie photovoltaïque à l'aide des modules «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» en se basant sur une technologie de courant porteur en ligne et de permettre la déconnexion automatique d'un ou plusieurs panneaux solaires photovoltaïques défectueux. Les modules «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» étant connectés les uns aux autres au travers d'un réseau d'interconnexion de panneaux solaires photovoltaïques montés en série, ceux-ci peuvent s'échanger de l'information par ajout de signaux électriques alternatifs modulés en fréquence ou tout autre principe de transfert de données par courant porteur en ligne et transportés par les câbles d'interconnexion entre les modules «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation». Chaque module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» possède un code électronique d'identification unique et universel permettant d'identifier le panneau solaire photovoltaïque dont il mesure la tension électrique. Chaque module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» a la possibilité de recevoir et d'émettre sur le réseau électrique auquel il est connecté par technologie de courant porteur en ligne, des trames informatiques permettant de véhiculer l'information de mesure de la tension électrique produite par le panneau solaire photovoltaïque auquel il est connecté. Afin de permettre la consultation des mesures des tensions électriques aux 30 bornes de chaque panneau solaire photovoltaïque, un module de consultation et 2953026 -8- d'échange de données informatique appelé module «Liaison de Données» est monté en série sur le réseau électrique des panneaux solaires photovoltaïques. La figure 3 présente le schéma de principe de positionnement du module «Liaison de Données » portant le sigle « MLD » sur le réseau électrique primaire 5 des panneaux solaires photovoltaïques montés en série. Les modules «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» ainsi que le module «Liaison de Données » sont constitués de deux modems à modulation de fréquence sur courant porteur en ligne ou tout autre principe d'échange de données à courant porteur en ligne, d'un microcontrôleur, d'un relai de dérivation et d'un circuit de 10 mesure de la tension électrique. Le module «Liaison de Données» dispose également d'une interface «Universal Serial Bus » communément appelé USB ou tout autre système d'échange de données informatiques permettant un échange de données avec un système de contrôle informatique. Chaque modem est connecté à l'un des deux câbles de raccordement avec les 15 autres modules «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation», permettant le transfert de l'énergie électrique sous la forme d'un courant électrique continu produit par le panneau solaire photovoltaïque auquel est connecté le module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation». Le panneau solaire photovoltaïque fournit la tension électrique nécessaire au 20 fonctionnement du module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation». Lorsque le panneau solaire photovoltaïque n'est pas en mesure de fournir cette tension électrique, le relai de dérivation est mis au repos et permet ainsi de déconnecter automatiquement le panneau solaire photovoltaïque du réseau de production électrique photovoltaïque sans rupture du circuit primaire de production d'énergie 25 électrique. Lorsque le module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» est alimenté par le panneau solaire photovoltaïque à sa valeur nominale de fonctionnement, celui-ci mesure en permanence la tension aux bornes du panneau solaire photovoltaïque à l'aide du circuit de mesure de la tension électrique. Le circuit de mesure de la tension électrique est relié au microcontrôleur qui mémorise cette 2953026 -9- information afin de pouvoir la transmettre ultérieurement d'abord via le réseau électrique primaire puis ensuite via le module « Liaison de Données » au système de contrôle informatique. Lorsque le système de contrôle informatique, en charge de superviser le bon 5 fonctionnement des panneaux solaires photovoltaïques, souhaite accéder à la mesure de tension d'un panneau solaire photovoltaïque du réseau de panneaux solaires photovoltaïques pour en effectuer le contrôle, celui-ci va envoyer un ordre d'interrogation au module «Liaison de Données» par l'intermédiaire de la connexion informatique. Le module «Liaison de Données» va alors relayer cette 10 demande sous la forme d'une trame informatique envoyée par modulation de fréquence ou tout autre principe d'échange de données à courant porteur en ligne sur le réseau électrique primaire constitué par l'ensemble des panneaux solaires photovoltaïques. Cette trame va contenir, selon un protocole de communication d'échange de données conforme à la norme ISO/IEC 14543-3-5 PL132 ou 15 équivalent, l'adresse du module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» à interroger et l'ordre de lecture de la mesure de tension électrique. Les modules «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» étant connectés en série les uns aux autres, l'information va transiter de module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» en module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» 20 via les modems à modulation de fréquence sur courant porteur en ligne ou tout autre principe d'échange de données à courant porteur en ligne interconnecté dans chaque module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» par le microcontrôleur jusqu'à arriver au module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» correspondant à l'adresse spécifiée dans la trame informatique envoyée par le 25 module « Liaison de Données ». Le module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» correspondant à l'adresse spécifiée retourne la valeur mesurée suivant le même procédé au module «Liaison de Données » qui lui-même va le transférer au système de contrôle informatique en charge de déterminer si cette valeur est conforme à la valeur attendue ou si le panneau solaire photovoltaïque 30 correspondant est partiellement ou totalement défectueux, ce choix étant déterminé -10- en fonction des valeurs de température et d'énergie lumineuse mesurée par ailleurs par le système de contrôle informatique. Le mode de transfert des données de point à point est le suivant : si un (ou plusieurs) panneau solaire photovoltaïque ne peut pas produire l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» auquel il est connecté, l'information passe au travers du relai de dérivation du module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» sans traitement informatique. Si par contre le module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» est opérationnel, l'information est reçue et décodée par l'un des deux modems à modulation de fréquence sur courant porteur en ligne ou tout autre principe d'échange de données à courant porteur en ligne et la trame est envoyée au microcontrôleur du module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» selon le protocole de communication conforme à la norme ISO/IEC 14543-3-5 PL132 ou une norme d'échange de données sur courant porteur en ligne équivalente. Si le module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» est le destinataire de la trame, son microcontrôleur traite alors la demande de lecture de la mesure de tension électrique et retourne à l'expéditeur l'information demandée selon le même mécanisme d'échange de données sur courant porteur en ligne et selon le même protocole d'échange de données. Si le module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» n'est pas le destinataire de la trame envoyée, celle-ci est alors relayée sur le réseau par une réémission vers le module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» voisin. Dans le cas où le module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation» récepteur de la demande de tension électrique est défectueux, celui-ci n'est pas en mesure de traiter la demande. Dans ce cas, le module «Liaison de Données» ne reçoit pas de réponse à la requête envoyée sur le réseau et après plusieurs relances à destination de ce module «Interconnexion, Diagnostic et Dérivation», le module «Liaison de Données» en déduit une panne totale sur le panneau solaire photovoltaïque concernée et transfert l'information au système de contrôle informatique via l'interface USB ou tout autre système d'échange de données 2953026 -11- informatiques permettant un échange de données avec le système de contrôle informatique. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné aux installations de production d'énergie électrique à l'aide de panneaux solaires photovoltaïques 5 comportant un très grand nombre de panneaux ou situés à des emplacements difficiles d'accès tels que les toitures élevées et pentues de bâtiment. REVENDICATIONS1) Dispositif de détection, d'arrêt automatique et de localisation de panneaux solaires photovoltaïques défectueux dans un réseau de panneaux solaires photovoltaïques, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de tension (dispositif de détection) aux bornes de chaque panneau solaire photovoltaïque, des moyens de déconnexion passive à relai (dispositif d'arrêt automatique), et des moyens d'échange de données pour déterminer le code d'identification du ou des panneaux solaires photovoltaïques défectueux (dispositif de localisation). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les échanges de données s'effectuent à l'aide d'une technologie à courant porteur en ligne à modulation de fréquence ou tout autre principe d'échange de données à courant porteur en ligne.