Brevet FR2959619A1 — publié le 20111104

Dispositif de sécurité pour panneaux photovoltaïques destinés aux ERP Etat actuel des matériels : Les panneaux solaires photovoltaïques sont des générateurs transformant l'énergie solaire lumineuse en tension continue. Ils sont généralement constitués de cellules ou films photosensibles constituant une ou plusieurs jonctions semi-conductrices. Au niveau de chaque cellule, l'excitation de ces jonctions par les photons libère des électrons qui sont ensuite collectés au travers de conducteurs (strings). Un ensemble de cellules est ainsi mis en série-parallèle, lesdites cellules étant encapsulées dans une structure verre-verre ou verre-support, afin d'obtenir un générateur solaire se quelques dizaines de volts, représentant une puissance crête de quelques dizaines à centaines de watts. Ces panneaux sont livrés en dimensions de l'ordre du m2, et associés à un système de connexion généralement constitué d'un boîtier de jonction comprenant des diodes de by-pass et ressortant 2 câbles pour les 2 polarités, dotés de connecteurs normalisés. Ces panneaux sont ensuite connectés en série, afin d'obtenir la plus grande tension possible compatible avec la tenue diélectrique basse tension de ces dispositifs (1000V) ainsi qu'avec les plages d'entrée des convertisseurs DC/AC disponibles dans le commerce. De tels panneaux photovoltaïques sont soumis à des normes internationales, comme la 0E161215, par exemple, qui permet de les qualifier et de les homologuer, notamment pour leur tenue aux contraintes climatiques et environnementales. Les installations photovoltaïques sont généralement constituées de panneaux mis en série, tel que décrits plus haut, et installées sur toiture, ombrières ou autres supports. Les circuits électriques de collectes sont ensuite complétés par des dispositifs parafoudres et de sectionnement, voire de protection fusible ou magnétothermique permettant d'isoler le générateur. L'installation ainsi constituée, d'une puissance de quelques dizaines à quelques centaines de kW, est reliée à un ou plusieurs convertisseurs transformant l'énergie collectée sous forme de courant continu, en courant alternatif propre à être utilisé, permettant ainsi sa réinjection dans le réseau de distribution électrique ou son stockage par le biais de batteries, ou encore son utilisation immédiate. De telles installations, avec leurs dispositifs de sectionnement, de protection et de raccordement au réseau, sont soumises aux normes et guides d'installation tel que les guides C15-400 ou C15-712. Dans les bâtiments dits ERP, c'est-à-dire susceptibles de recevoir du public, l'installation électrique doit pouvoir être coupée et déconnectée du réseau, de manière sûre et facile, par les services de sécurité. Ainsi, une intervention des pompiers sur un foyer d'incendie commencera par la mise hors tension de l'installation électrique générale (coupure au niveau du disjoncteur de branchement de l'installation).30 Cependant, la présence d'installation photovoltaïque ne permet pas cette opération : en effet, l'installation peut être déconnectée au niveau de son raccordement au réseau et les pompiers pourront sectionner les panneaux au niveau des boîtiers de protection se trouvant en amont des convertisseurs. Cependant, ces isolements ne mettent pas hors tension le système. Dans tous les cas, les panneaux restent des générateurs d'électricité toujours opérationnels dans la journée, et l'ensemble des panneaux raccordés en série présentera toujours une tension élevée dangereuse pour les services d'intervention, même si l'installation en aval a bien été mise hors tension. Donc, lorsque les services d'intervention arrivent sur le lieu d'un sinistre et commencent, avant toute chose, par couper l'installation électrique, ils seront encore susceptibles de trouver en ce lieu des câbles et dispositifs présentant des tensions dangereuses, ce qui va à l'encontre des habitudes, procédures et règles de sécurité. Le but de l'invention est de supprimer l'inconvénient précédent, en étant sûr que le fait de couper l'installation électrique du bâtiment, et donc tout raccordement au réseau, supprimera de manière sûre et instantanée les tensions dangereuses, même si l'installation photovoltaïque reste éclairée. Pour cette raison l'objet de l'invention est un dispositif de sécurité pour un panneau photovoltaïque permettant la mise en court circuit des sorties électriques de puissances du panneau, pourvu d'un connecteur permettant de connecter lesdites sorties électriques du panneau dans lequel le connecteur est pourvu d'un interrupteur avec une première position « passive » pour court-circuiter les sorties électriques du panneau et une deuxième position « active » pour interrompre le court-circuit des sorties électriques du panneau, dans lequel le dispositif est pourvu d'un élément de commande permettant à l'interrupteur de se déplacer de sa position « passive » vers sa position « active ». Grâce à cette mesure, on s'assure que le dispositif selon l'invention est normalement en position naturelle de court-circuit. Cela signifie que le dispositif est capable de produire de l'énergie seulement si l'interrupteur est activement manipulé de sa position « passive », pour assurer ce court- circuit, vers une position « active » pour permettre audit dispositif de produire de l'énergie. En cas de coupure électrique de l'installation, l'alimentation centralisée est également coupée et le dispositif selon l'invention ne reçoit plus d'électricité. En d'autres termes, celui-ci retourne à sa position « passive », court-circuitant le panneau auquel il est intégré. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend une boucle de sécurité électrique connectée à l'élément de commande pour actionner 20 ledit élément de commande avec ladite boucle de sécurité électrique. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend un élément de commande actionné à l'aide d'une commande codée. 25 Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend un élément de commande actionné par courant-porteur. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend un relais électromagnétique. 30 Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend un relais statique. Dans un mode de réalisation préféré, le connecteur court-circuite les sorties électriques du panneau. Dans un mode de réalisation préféré, le connecteur court-circuite chaque sortie électrique du panneau à la terre. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif est intégré dans le panneau photovoltaïque. Ensuite, la présente invention concerne également un système photovoltaïque comprenant au moins un panneau photovoltaïque et un connecteur dans lequel le système photovoltaïque comprend le dispositif de sécurité selon l'invention et dans lequel ledit système de sécurité présente des caractéristiques lui permettant d'être positionné entre les sorties électriques de puissance de panneau et le connecteur. De plus, la présente invention concerne un panneau photovoltaïque comprenant le système de sécurité selon l'invention. L'invention sera mieux appréciée à la lecture de la description qui fait référence aux dessins dans laquelle : - la figure 1 montre un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 montre un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention,25 - la figure 3 montre un panneau du dispositif pourvu du dispositif selon l'invention, - la figure 4 montre un deuxième mode de réalisation d'un panneau pourvu du dispositif selon l'invention, et - la figure 5 montre un panneau photovoltaïque intégrant le dispositif selon l'invention. Dans la figure 1, un dispositif 10 de court-circuit d'un panneau photovoltaïque 40 est montré. Ce dispositif 10 est électromécanique ou statique et peut être placé dans le boîtier de raccordement individuel de chaque panneau 40. Il peut également être réalisé dans un boîtier séparé et connecté au dit panneau 40, dans le cas où celui-ci est déjà existant. Le dispositif 10 est normalement et naturellement en position de court-circuit. Il nécessite l'apport d'énergie extérieure très basse tension pour dé-court-circuiter le panneau 40. Dans le cas où différents panneaux photovoltaïques 40 sont utilisés ensemble pour construire un système photovoltaïque, une boucle de sécurité constituée d'un câble conducteur de faible section, par exemple pair téléphonique, relie l'ensemble des dispositifs 10 de court-circuit en parallèle. Le dispositif d'alimentation centralisé du dispositif selon l'invention peut être intégré au convertisseur photovoltaïque, mais peut, de façon alternative, être une simple alimentation TBT (12 ou 24V). En fonctionnement normal, l'alimentation centralisée excite chaque dispositif 10 au travers de la boucle de sécurité 11 qui les relie. Chaque dispositif 10 est donc maintenu dans une position « active » et permet à chaque panneau de délivrer son énergie électrique. En cas de coupure électrique de l'installation, l'alimentation centralisée est également coupée et la boucle de sécurité n'excite plus chaque DSPP. Celui-ci retourne à sa position « fermée », court-circuitant le panneau auquel il est intégré. D'une manière similaire, la déconnexion d'un panneau 40 ou l'arrachage de ses connexions provoque immédiatement la désexcitation de la boucle de sécurité 11, provoquant le court-circuitage du panneau 40 et l'annulation de toute tension dangereuse à ses bornes (le courant photovoltaïque est rebouclé sur lui-même). Dans la figure 1, le dispositif 10 de court-circuit d'un panneau 40 est montré dans un premier mode de réalisation. Le dispositif 10 peut être réalisé à l'aide d'un relais électromécanique ou statique dont le contact unique court-circuite les deux polarités 12, 13 du panneau 40. Dans sa position « passive », le dispositif 10 de sécurité selon la figure 1 assure la connexion des deux polarités 12, 13 du panneau 40. Avec la boucle de sécurité 11, l'interrupteur 14 peut être déplacé d'une position « passive » pour court-circuiter les deux polarités 12 13 vers une position « active » pour permettre au panneau 40 de délivrer son énergie électrique. Un deuxième mode de réalisation est montré en figure 2, dans lequel le dispositif 20 de court-circuit d'un panneau 40 est réalisé grâce à un relais électromécanique et statique dont les contacts court-circuitent chaque polarité 12, 13 du panneau 40 à la terre. L'avantage de ce dernier mode de réalisation étant que le panneau 40 se retrouve en court-circuit et au potentiel de terre. Le dispositif 20 selon la figure 2 peut-être alimenté en série ou en parallèle par la boucle de sécurité 11, suivant le schéma ou le composant utilisé. Le fait que le dispositif 10, 20 nécessite un apport d'énergie externe pour être excité et rester en position « active », est garant du court-circuitage total et sûr des générateurs si l'installation est mise hors tension, c'est-à-dire déconnectée du réseau électrique. Le fait que le dispositif 10, 20 soit intégré au panneau 40, ou dans son boîtier de raccordement, est garant du fait que le panneau 40 soit toujours hors tension, quand il est manipulé, arraché ou lors de sa pose. Tout panneau 40 devient ainsi non dangereux car hors tension à partir du moment où il n'est pas raccordé à une installation électrique sous tension. Il sera toujours avantageux de placer le dispositif 10, 20 au plus près de l'assemblage de cellules constituant le panneau photovoltaïque 40 afin qu'il en soit indissociable. Le dispositif 10, 20 selon l'invention peut être ajouté au panneau photovoltaïque 40 de plusieurs façons. Une première possibilité est montrée en figure 3, selon laquelle le dispositif 10, 20 selon l'invention est directement intégré dans le boîtier de connexion 41 du panneau 40. L'ensemble du panneau photovoltaïque 40 et du boîtier de connexion 41 présente alors deux câbles de puissance 12, 13 et deux câbles faisant partie intégrante de la boucle de sécurité 11. Une deuxième possibilité permettant d'intégrer au panneau le dispositif 10, 20 selon l'invention est montrée en figure 4. Selon cette figure 4, l'ensemble du panneau photovoltaïque 40 et du boîtier de connexion 41 présente une sortie comprenant deux câbles de puissance 12, 13. Chaque câble de puissance 12, 13 est connecté, grâce à une connexion 15, 16, à deux câbles d'entrée, un boîtier indépendant qui forme le dispositif 10, 12. Le boîtier 50 présente une sortie comprenant deux câbles de puissance 51, 52 pouvant être connectés à une installation, par exemple un réseau électrique, et aux deux câbles faisant partie de la boucle 11. La solution selon la figure 4 est adaptée pour tout panneau photovoltaïque 40 disponible dans le commerce. Une troisième possibilité d'intégrer le dispositif 10, 20 selon l'invention au panneau photovoltaïque 40 consiste à intégrer ledit dispositif 10, 20 directement à l'intérieur du panneau entre les deux panneaux de verre 42, 43 (technologie « verre-verre ») ou entre le panneau de verre 42 et le support arrière 43. Dans tous les cas, le circuit pourra alors s'insérer dans un logement pratiqué dans le support arrière 43. Le dispositif 10, 20 peut être réalisé par un relais électromécanique ou de type `ampoule sous vide' normalement fermé, si le dispositif 10, 20 est extérieur au panneau, ou dans son boîtier de raccordement 41. Dans le cas où le dispositif 10, 20 est intégré au panneau 40, tel que montré dans la figure 5, il sera réalisé préférentiellement de manière statique (Transistor MOS de très faible RdsON, ou thyristor). 25 Dans la figure 5, le dispositif 10, 20 est intégré à l'intérieur d'un logement présent dans le support arrière 43 du panneau photovoltaïque 40. Dans le cas où la technologie « verre-verre » est utilisée, ce support arrière 43 se présentera sous la forme d'une plaque de verre.20 Le dispositif 10, 20 comprend plusieurs composants électroniques enrobés dans un enrobage 44. Les câbles formant la boucle de sécurité 11 sortent du dispositif 10, 20 afin d'être connectés à une alimentation centralisée à laquelle seront connectées toutes les boucles de sécurité 11 de tous les panneaux 40 du système. Afin d'en informer les services de sécurité, la présence d'un dispositif selon l'invention peut être signalé près des dispositifs de coupure et de sectionnement, par des panneaux d'indication « installation photovoltaïque ERP : mise hors tension des panneaux par coupure du raccordement au réseau ». Le dispositif 10, 20 selon l'invention peut être commandé de plusieurs façons. Selon une première option, le dispositif 10, 20 peut être commandé directement. Dans ce cas, c'est l'alimentation directe de la boucle de sécurité 11 par une Très Basse Tension qui excite l'interrupteur 14 de court-circuit, permettant son ouverture. Selon une seconde option, le dispositif 10, 20 selon l'invention peut être commandé à l'aide d'une commande codée. Dans ce cas, le dispositif 10, 20 de court circuit est associé à un microcontrôleur spécialisé qui va analyser en permanence la boucle de sécurité 11 qui lui sert également d'alimentation. Cette boucle de sécurité 11, reliée au convertisseur, est en permanence parcourue par un code de contrôle crypté. Lorsque le dispositif 10, 20 est intégré au panneau 40 voit ce code et le décrypte grâce à sa clef privée, il dé-court-circuite le panneau 40 (passage en mode « ouvert »), qui peut alors fournir son énergie au convertisseur.30 Le code associé au convertisseur peut être inséré à l'installation du convertisseur et des panneaux 40 correspondants. Selon une troisième option, le dispositif 10, 20 selon l'invention peut être commandé par courant-porteur. Dans ce cas, la boucle de sécurité 11 est constituée des deux câbles de puissance 12, 13 du panneau 40 : le signal codé, injecté au niveau du convertisseur, est extrait des deux câbles de puissance 12, 13 du panneau 40 et traités par le microprocesseur pour décider du court-circuit du panneau 40. Les différentes stratégies de commande sont disponibles pour contrôler le fonctionnement du dispositif 10, 20 selon l'invention. Lors de la connexion des convertisseurs au réseau de distribution, pour réinjection : - la présence de la tension réseau sur la sortie du convertisseur provoque l'alimentation de la boucle de sécurité 11, ou l'envoi du code de contrôle (sur la boucle ou dans le réseau de puissance d'entrée du convertisseur), - lorsque le code est correctement décodé, ou la boucle de sécurité 11 alimentée, le dispositif 10, 20 passe en mode ouvert, ce qui permet à l'énergie des panneaux 40 d'atteindre les convertisseurs. Lors de la déconnexion des convertisseurs au réseau de distribution : - l'absence de tension réseau sur la sortie du convertisseur provoque l'extinction de la boucle de sécurité 11, ou l'arrêt d'envoi du code de contrôle (sur la boucle 11 ou dans le réseau de puissance d'entrée du convertisseur), - l'absence du code, ou la désalimentation de la boucle de sécurité 11, fait passer le dispositif 10, 20 en mode fermé, ce qui court- circuite le panneau 40 et ne permet plus à l'énergie des panneaux 40 d'atteindre les convertisseurs : tous les circuits situés en aval du dispositif 10, 20 se retrouvent hors tension, et éventuellement mis à la terre selon le mode de réalisation du dispositif 10, 20.