Brevet FR2970375A1 — publié le 20120713

L'invention se rapporte au domaine général des installations photovoltaïques comprenant une pluralité de modules (ou panneaux) photovoltaïques. Un panneau photovoltaïque (généralement constitué d'un ensemble de cellules), en captant l'énergie du rayonnement solaire, génère de l'électricité grâce au phénomène de conversion de l'énergie photovoltaïque. Dès qu'une installation photovoltaïque est soumise à ce rayonnement, il y a une présence de tension aux bornes de chacun des panneaux. Chaque module est capable de générer un courant continu dont la valeur dépend de l'intensité de l'ensoleillement et la surface des cellules le constituant. La tension générée quant à elle dépend de la technologie mise en oeuvre ; pour une technologie homojonction basée sur le silicium cristallin par exemple, cette tension est de l'ordre de 0.6V par cellule en circuit ouvert, à une température de 25°C (celle-ci s'élevant avec l'abaissement de la température). Suivant les besoins, les installations photovoltaïques (combinaisons série et/ou parallèle de modules comportant potentiellement plusieurs branches) peuvent être dimensionnées pour des applications en sites isolés (non raccordés au réseau), d'éclairage public, de signalisation, ou pour couvrir des besoins énergétiques d'entreprises, de collectivités et de particuliers en autoconsommation ou au travers d'une réinjection de l'énergie produite sur le réseau général. Cette injection d'énergie au réseau se fait au travers d'un convertisseur de tension DC vers AC, de fréquence et de potentiel adaptés selon la région et le réseau à connecter. Pour le marché européen, la tension maximum d'entrée du convertisseur est généralement inferieure à 1000Vpc (environ 600Vdc pour les convertisseurs de faible puissance) et pour la zone nord Amérique, la tension d'entrée est généralement limitée à 600Vpc. Suivant le dimensionnement réalisé (généralement au regard des caractéristiques du convertisseur de tension DC vers AC), les tensions véhiculées par les installations photovoltaïques sont de l'ordre de 600Vpc pour de petites installations, types toitures résidentielles et peuvent atteindre ou dépasser 1000Vpc pour des grandes installations, centrales au sol ou autres projets industriels (bâtiments publics ou industriels, etc...). Ces niveaux de potentiel sont dangereux pour toutes personnes devant intervenir sur l'installation. En effet pour éviter tout risque d'électrocution, des valeurs seuils ont été définies comme valeurs de tension normative à ne pas dépasser pour être dans le domaine de la très basse tension (abréviation TBT). La très basse tension est la classe des tensions électriques qui ne produisent pas dans le corps humain de courant électrique dangereux pour l'homme. Une tension limite de 120Vpc est généralement admise. (Comme par exemple en France) La garantie d'un niveau de tension inférieure à la limite TBT sur toute partie conductrice et câblage, permet une action efficace et en sécurité des personnels tels les pompiers et agents de la sécurité civile, les opérateurs de maintenance et d'entretien, les installateurs, ... La présente invention a pour objet la résolution de tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus et impactant la sécurité électrique des personnes. Elle a pour but d'évoluer dans une installation photovoltaïque constitué d'une pluralité de modules (1) connectés en branches séries et/ou parallèles formant un circuit électrique. Ce circuit électrique est conçu de manière à alimenter un convertisseur de tension DC/AC (2) permettant d'alimenter des charges ou d'injecter l'énergie produite sur le réseau. Ce dit circuit électrique intègre un système de mise en sécurité reposant sur des dispositifs de coupure (5) des liaisons entre les générateurs photovoltaïques (unitairement ou par groupes), de manière à assurer des différences de potentiel toujours inferieures à une tension définie (la limite TBT par exemple). Avantageusement, les dispositifs de coupure (5) sont pilotés "par manque" grâce à une commande unique (4) de mise en sécurité générant un signal non périodique et permettant de configurer le circuit électrique (12) aussi bien en mode de production d'énergie qu'en mode sécurisé. Ce signal non périodique peut être véhiculé par tous moyens compatibles et adaptés à sa transmission ; ces moyens peuvent être filaires, fibre optique, ondes électromagnétiques, etc... Selon le mode de transmission, les dispositifs de coupures et de commandes doivent intégrer des organes propres pour garantir la bonne transmission et de compréhension du signal de commande. Selon une possibilité, le dispositif de commande unique de mise en sécurité (4) est constitué d'un élément de commande manuel ou à distance et d'un interrupteur sectionneur multipolaire (9). Un ou plusieurs pôles de coupures de l'interrupteur sectionneur (9) est connecté sur un ou plus des pôles du circuit électrique Bus DC (12) (la coupure d'une seule polarité des liaisons amont et aval des groupements de modules peut-être suffisante suivant l'usage et la réglementation), avant le convertisseur DC/AC (2), coté bus DC (12). Sur un autre pôle de l'interrupteur (indépendant ou non de ceux reliés au circuit électrique (12)) est connecté un second circuit électrique (13) indépendant électriquement ou non du circuit bus DC (12), formé des dispositifs de coupure (5) agencés en série et/ou en parallèle et d'une alimentation AC/DC (7), ou d'un convertisseur abaisseur de tension du bus DC (12) permettant d'alimenter ce circuit électrique (13). L'alimentation électrique choisie doit conserver la classe de protection électrique de l'installation. Ainsi, ce moyen de commande unique (4) permet, dès qu'il est actionné, de sectionner le circuit du bus DC (12) et ainsi de déconnecter électriquement le convertisseur DC/AC (2) du champs photovoltaïque (3). L'intensité du courant générée par le champ photovoltaïque (3) devient alors nul. Simultanément, le moyen de commande unique (4) ouvre le second circuit électrique (13) alimentant tous les dispositifs de coupure (5) reliés entre eux en série et/ou en parrallèle, limitant ainsi, de part leur agencement, la tension délivrée par chaque groupement de modules photovoltaïques (1) à une tension donnée ; égale à la somme des tensions des modules (1) constituant chaque groupement, pouvant correspondre suivant le dimensionnement réalisé à celle dite de sécurité. Avantageusement, les dispositifs de coupure (5) permettent de replacer le circuit électrique dans son état opérationnel initial dès lors que l'interrupteur sectionneur multipolaire (9) est replacé dans l'état fermé, ainsi la commande unique (4) de mise en sécurité est éteinte et l'installation recommence à produire de l'énergie. Selon différents modes de réalisation, les moyens de coupure électrique (5) comprennent des relais électromécaniques permettant une coupure dans l'air ou de relais statiques à base de transistor, IGBT ou Triac. Selon une possibilité, les moyens de coupures (5) et de commande (4) sont raccordés aux connecteurs des modules, à l'extérieur de celui-ci. Chaque moyen de coupure est intégré dans un boîtier spécifique incluant les connectiques et borniers adaptées à l'environnement et aux puissances. De ce fait, il est aisé d'équiper aussi bien des installations éxistantes que nouvelles, sans altérer l'intégrité des panneaux photovoltaïques, ce qui permet, de fait, de préserver la garantie du fabricant. . Les moyens de coupures peuvent également être intégrés directement aux modules photovoltaïques. La description suivante permettra de bien comprendre cette invention, 35 avec l'aide des schématiques en annexes. Toutes ces représentations sont données à titre d'exemples et n'ont aucun caractère limitatif. La figure 1 montre le schéma synoptique d'une installation de génération d'électricité comprenant une pluralité de modules photovoltaïques selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est une illustration analogue à la représentation de la figure 1 avec comme particularité d'adapter l'invention à des installations de puissances plus importantes que celle décrite en figure 1 et comportant une pluralité de branches de modules photovoltaïques. Dans le premier mode de réalisation, une installation photovoltaïque (100) selon l'invention comprend un champ photovoltaïque (3) comprenant une pluralité de modules photovoltaïques (1) reliés en série et/ou en parallèle de façon à former un circuit électrique (12) autrement appelé bus DC. Le champ photovoltaïque (3) est relié à l'onduleur (2) par ses bornes (11) via le bus DC (12). L'installation comporte en outre des moyens de mise en sécurité constitués d'une commande unique de mise en sécurité (4), des moyens de coupure (5) du bus DC (12), d'une alimentation (7) connectée au réseau de puissance AC (14) fournissant une tension DC de faible puissance sur le circuit électrique (13), et d'une batterie ou condensateur (8) pour éliminer les phénomènes de micro coupure de tension du réseau (14). Ce dispositif (8) peut être inséré dans le circuit électrique (13) en amont ou aval de l'interrupteur sectionneur multipolaire (9). En particulier, le moyen de commande unique (4) de mise en sécurité est formé : d'un rotacteur ou commutateur permettant un actionnement de l'interrupteur sectionneur multipolaire et ainsi de piloter la mise en sécurité volontaire par un utilisateur, dans un endroit adéquat de l'installation conformément aux normes et législation en vigueurs. d'un interrupteur sectionneur multipolaire (9), ayant la fonction d'ouverture simultanée de 2 circuits indépendants. Le premier circuit connecté étant le bus DC (12) et le second étant le circuit électrique (13) de commande des moyens de coupures (5). Les moyens de coupure (5) sont constitués de relais électromécaniques capables d'ouvrir le circuit électrique du bus DC (12). La description ci-après détaille le protocole de la mise en sécurité de l'installation. Dans l'état initial, l'installation photovoltaïque (100) est en mode de production. II existe une tension de bus DC (12) et une intensité de courant fonction des conditions climatiques et de l'intensité du rayonnement solaire et de l'architecture des générateurs photovoltaïques. La personne voulant mettre l'installation en mode de sécurité, actionne le moyen de commande unique (4) en tournant le rotacteur ou commutateur du moyen de commande unique (4) pour le mettre en position explicite de sécurité. Par cette action, l'interrupteur sectionneur multipolaire (9) ouvre le circuit du bus DC (12) et simultanément ouvre le circuit de commande (13). L'ouverture du circuit bus DC (12) déconnecte le convertisseur DC/AC (2) du bus DC (12) qui en détectant cette déconnexion se déconnecte automatiquement du réseau de puissance (14). Également, cette ouverture induit que l'intensité de courant du circuit du bus DC (12) devient nulle (Ipc=O). Dans le même temps, l'ouverture du circuit de commande (13) provoque l'arrêt de l'alimentation des bobines des relais électromécaniques (5) qui ouvrent à leur tour le circuit du bus DC (12). Suite à l'ordre de mise en sécurité provoqué par le moyen de commande (4), tous les groupements de modules photovoltaïques (1) sont donc déconnectés individuellement du circuit électrique du bus DC (12), ce qui définit l'état de mise en sécurité de l'installation photovoltaïque (100). Les groupements de modules (1) sont alors en sécurité électrique étant donné que la tension à leurs bornes est individuellement inférieure à la tension définie lors du dimensionnement, pouvant coïncider avec celle dite de sécurité (en France L'ordre communiqué au moyen de commande unique (4) permet donc de faire passer l'installation d'un premier état opérationnel à un second état de mise en sécurité. Le retour à l'état d'exploitation du champ photovoltaïque (100) est décrit 25 ci-après : Dans un premier temps, le moyen de commande (4) est actionné en remettant le rotacteur ou commutateur en position explicite de production. L'interrupteur bipolaire (9) referme les circuits du bus DC (12) et du circuit de commande (13). 30 Le circuit de commande (13) alimente à nouveau les bobines des relais électromécaniques (5). Les relais (5), ainsi alimentés, referment à leur tour le circuit du bus DC (12) en reconnectant à nouveau tous les groupements de modules (1). Après un certain temps, le convertisseur (2) détecte à nouveau un 35 potentiel sur le bus DC (12), et charge le circuit induisant une intensité de courant, ce qui lui permet à nouveau de convertir l'énergie, si les conditions réseau (14) sont remplies. Selon une variante du premier mode de réalisation de l'invention présentés ci dessus, et afin d'adapter cette invention à des installations de forte puissance, l'interrupteur sectionneur (9) est agencé de manière à sectionner chaque branche de modules photovoltaïques, en plus des coupures du circuit de commande (13). Selon une variante de ce second mode de réalisation, l'interrupteur sectionneur (9) sectionne les polarités positive et négative du bus DC (12), au lieu de couper chaque branche de modules, en plus des coupures du circuit de commande (13). Selon une variante, le circuit de commande (13) peut être alimenté par le biais d'une alimentation (7) dédiée, unique, de classe de sécurité conforme et cohérente à celle de l'installation ; ou bien l'alimentation (7) du circuit de commande (13) peut être segmentée selon le nombre de branches de modules photovoltaïques. Ainsi, chaque circuit (13) segmenté et indépendant aura sa propre alimentation pour permettre le pilotage des éléments de coupure (5). Selon une variante de tous ces modes de réalisation, chaque branche de modules a son propre moyen de commande (4), avec un propre système d'alimentation (7) du circuit de commande (13) sur lequel sont connectés les éléments de séparation (5). Le nombre de moyens de commande (4) doit être cependant contenu et répondre aux exigences des normes en vigueur. Selon une autre variante de tous les modes de réalisation décris ci dessus, le moyen de commande (4) peut être actionné à distance au moyen de liaison filaire (par manque, maintient, ou CPL...) ou sans fil (communication hertzienne...) permettant ainsi d'intervenir à distance de l'installation et de la coupure. Ce pilotage à distance peut être nécessaire dans le cas d'un accès difficile à l'endroit de coupure du bus DC (12) , d'un regroupement en un seul endroit de toutes les coupures de sécurité électrique d'un même batiment, lieu public/privé... ou tout autre besoin normatif ou aidant à la bonne mise en sécurité des personnes. Selon une variante de tous les modes de réalisation décris ci dessus, les moyens de coupure électrique comprennent des relais statiques à base de transistor, IGBT ou Triac en lieu et place des relais électromagnétiques. Selon une autre variante de tous les modes de réalisation décris ci dessus, les moyens de coupure (5) sont à l'extérieur du module, dans un boitier dédiée. Selon une autre variante de tous les modes de réalisation décris ci dessus, les moyens de commande (4) sont agencés pour actionner les moyens de coupure (5) par l'intermédiaire de moyens mécaniques ou électromécaniques. Selon une autre variante de tous les modes de réalisation décris ci dessus, le système de sauvegarde de l'alimentation du circuit (13), est prévu pour contenir les micro-coupures de tension du réseau de puissance (14) si le système est placé entre l'interrupteur sectionneur (9) et l'alimentation (7). Dans le cas d'un agencement après l'interrupteur sectionneur (9), le système de sauvegarde contiendra les micro-coupures de tension du réseau de puissance (14) et apportera un retard de l'ouverture des éléments de séparation (5). Ce retard devra être calibré pour respecter les exigences normatives. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux formes de 10 réalisations décrites ci-dessus données à titre d'exemples non-limitatifs ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes.