Brevet FR3157733A1 — publié le 20250627

La présente invention concerne un dispositif de surveillance ( 1 ) de la propreté d’une surface ( 2 ), comprenant une source d’alimentation ( 3 ) électrique configuré pour être connectée à la surface ( 2 ) afin de mettre sous tension la surface ( 2 ) en plusieurs points, un système de mesure de la tension et du courant ( 4 ), une station météorologique ( 6 ) configurée pour acquérir des données environnementales de la surface ( 2 ), le dispositif de surveillance ( 1 ) comprenant une unité de contrôle ( 5 ) configurée pour - commander la source d’alimentation ( 3 ) selon un profil d’alimentation, - déterminer à partir du courant et de la tension mesurés une impédance d’isolement induite par la surface ( 2 ), - déterminer un niveau de salissure de la surface ( 2 ) par rapport à un état initial « propre » de la surface ( 2 ) à partir de la mesure d’impédance et des données d’environnement issues d’une station météorologique ( 6 ). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Capteur de salissure pour surface photovoltaïque Le présent exposé concerne un capteur de salissure établissant un niveau de salissure d’une surface par rapport à un état initial de la surface et un procédé de calibration d’un tel capteur. ETAT DE LA TECHNIQUE Il est fréquent de devoir évaluer la propreté d’une surface afin d’en planifier la maintenance, particulièrement dans le cas des centrales électriques fonctionnant à l’énergie solaire. Ces installations, que l’on peut classer selon qu’elles soient photovoltaïque ou thermique, sont en effet particulièrement sensibles aux problèmes d’encrassement ou de salissure de leurs surfaces. Par exemple, une centrale solaire dite « à tour », dans laquelle le rayonnement est concentré vers un foyer fixe placé en hauteur utilise généralement un minimum de plusieurs centaines d’héliostat, ce qui représente des dizaines de milliers de mètres carrés de miroirs dont la salissure, en réduisant leur capacité de réflexion, impacte directement le rendement global de l’installation. Dans une centrale utilisant des panneaux photovoltaïques, le problème est le même et est encore accru lorsque la centrale est située dans une région désertique. Les poussières sont alors responsables de pertes allant de 2 à 10% du rendement total. Il est donc nécessaire de nettoyer régulièrement une grande quantité de surfaces, ce qui implique des coûts supplémentaires important à maitriser. Pour planifier les opérations de nettoyage, il est nécessaire de mesurer le taux de salissures. Pour cela, il est courant de mesurer le courant de court-circuit d’une cellule propre et celui d’une cellule sale et de comparer les deux après une correction en température et en éclairement, ce ratio donne le taux de salissures. Cette mesure consiste à mettre physiquement les polarités ou bornes positive et négative, c'est à dire une anode et une cathode d’un module ou d’une cellule de référence en contact et à mesurer le courant à ces bornes, qui est directement proportionnel à l'éclairement. En effectuant le rapport entre les valeurs de courant de court-circuit d’un module de référence propre et de courant de court-circuit d’un module sale on peut déduire un taux de salissures, la salissure générant en effet une perte de l’éclairement reçue par les cellules solaires et donc une perte de courant de court-circuit associée proportionnelle. Cependant cette mesure ne distingue pas les pertes dues au vieillissement naturel de la cellule de celles dues à la salissure et surtout nécessite une intervention fréquente et même parfois un nettoyage de toutes les cellules. Il existe donc un besoin pour un capteur calculant en continu un niveau de salissure exprimant la perte de rendement par rapport à un état initial propre d’une surface. Ce capteur est idéalement à bas coût, simple et permet de se passer d’intervention humaine. Il permet d’avoir une information qualitative sur la salissure, c’est-à-dire de savoir si le module devient sale ou non et, après une calibration et l’application d’un modèle, d‘avoir une information quantitative. EXPOSE Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités, en proposant un dispositif de surveillance mesurant en continu la résistance d’isolement de la surface surveillée pour en déduire un niveau de salissure défini en référence à un état initial « propre » et l’état au moment de la mesure en se basant sur le fait qu'une surface sale conduit mieux l'électricité en surface qu'une surface propre. Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, un dispositif de surveillance de la propreté d’une surface, comprenant une source d’alimentation électrique configuré pour être connectée à la surface afin de mettre sous tension la surface en deux ou plusieurs points, un système de mesure de la tension et du courant résultant de la mise sous tension de la surface, une station météorologique configurée pour acquérir des données environnementales de la surface, le dispositif de surveillance comprenant une unité de contrôle configurée pour - commander la source d’alimentation selon un profil d’alimentation, - déterminer à partir du courant et de la tension mesurés une impédance d’isolement induite par la surface, - déterminer un niveau de salissure de la surface par rapport à un état initial « propre » de la surface à partir de la mesure d’impédance et des données d’environnement issues d’une station météorologique. Le dispositif selon l’invention est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prise indépendamment ou en l’une de leur combinaison techniquement possible : - l’unité de contrôle et le système de mesure de la tension et du courant sont configurés pour déterminer le niveau de salissure de la surface à partir de mesures de tension et du courant alternatifs à fréquences variables en déduisant de ces mesures une capacité électrique induite par la surface, ou à partir de mesures de tension et du courant continus, en déduisant de ces mesures une résistance électrique induite par l’état de la surface, - un cadre conducteur encadre la surface surveillée, la source d’alimentation étant adaptée pour être connectée au cadre d’un côté et à des polarités positive et négative de la surface d’un autre, le système de mesure de la tension et du courant mesurant la tension et le courant circulant dans le cadre ; - la source d’alimentation est configurée pour être connectée à plusieurs des points de la surface surveillée, et le système de mesure de la tension et du courant mesure la tension et le courant circulant dans le cadre ; - les données environnementales mesurées par la station météorologique comprennent une quantité de particules, la masse des particules, une humidité, un niveau de d’éclairement, une température ambiante, une température de la surface et un point de rosée, pluviomètre, vitesse de vent, spectromètre, date et heure ; - le système de mesure de la tension et du courant comprend un pont diviseur de tension et/ou une résistance de mesure du courant ; - l’unité de contrôle comprend un système de communication configuré pour émettre un message d’avertissement lorsque le niveau de salissure dépasse un seuil prédéterminé ; - la tension appliquée à la surface par la source d’alimentation est comprise entre 1000 volts et 10 000 volts. L’invention concerne également un procédé de calibration d’un dispositif de surveillance comprenant les étapes suivantes : - disposer une surface de référence dotée du dispositif de surveillance dans un environnement dans lequel les données environnementales sont contrôlées ; - acquérir des mesures d’une résistance d’isolement de la surface de référence et d’un niveau de salissure entre des états de la surface de référence à une succession d’instants prédéterminés et un état initial « propre », les données environnementales variants au cours de la succession d’instants ; - établir, à partir des mesures acquises, un modèle reliant le niveau de salissure à l’impédance d’isolement et aux données environnementales. Les étapes du procédé pouvant être complétées par les caractéristiques suivantes, prise indépendamment ou en l’une de leur combinaison techniquement possible : l’étape d’acquisition comprend l’acquisition de mesures de volume, de surface couverte et de masse des particules déposées sur la surface de référence au cours de la succession d’instants ainsi que de l’impédance électrique de la surface de référence au cours de la succession d’instants, le modèle étant établi en prenant en compte ces mesures, - le modèle est établi en effectuant par une méthode d’apprentissage automatique une régression sur les mesures acquises. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : La FIG. 1 représente de manière schématique un dispositif de surveillance d’une surface selon un mode de réalisation de l’invention ; La FIG. 2 représente de manière schématique un détail d’un mode de réalisation du dispositif de surveillance d’une surface ; La FIG. 3 est un organigramme illustrant des étapes d’un procédé de calibration d’un dispositif de surveillance selon un mode de réalisation de l’invention. Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE En référence à la FIG. 1 , un dispositif de surveillance 1 selon l’invention est installé pour surveiller la propreté d’une surface 2 , par exemple de la surface 2 d’un module solaire. Le dispositif de surveillance 1 comprend une source d’alimentation 3 électrique, connectée à la surface 2 de sorte à la mettre sous tension. Par exemple, une telle source d’alimentation 3 peut être une batterie connectée à un convertisseur élévateur de tension, le convertisseur étant relié par des câbles conducteurs en deux points proches de la surface. Typiquement, la tension est élevée d’entre 3.7V à 5V jusqu’à de 1500V à 20 000V. De tels convertisseurs ont l’avantage d’être très bon marché. La surface 2 est également connectée à un système de mesure de la tension et du courant 4 , comprenant par exemple un pont diviseur de tension et une résistance de mesure de l’intensité, autrement dit un shunt de courant. La tension élevée appliquée à la surface facilite la mesure de l’intensité. Une unité de contrôle 5 est configurée pour commander la source d’alimentation 3 selon un profil d’alimentation spécifique. Le profil d’alimentation applique par exemple une tension croissante puis décroissante pour que le système de mesure de la tension et du courant 4 mesure l’intensité de façon précise, celle-ci étant particulièrement faible. Les mesures de la tension et de l’intensité permettent de calculer l’impédance d’isolement de la surface 2 , c’est à dire une résistance d’isolement de la surface 2 lorsque la tension du profil d’alimentation est continue, ou bien une capacité électrique dans le cas où la tension du profil d’alimentation est alternative. Dans le cas continu, la résistance d’isolement varie selon la quantité de salissure présente sur la surface 2 , la résistance diminuant et le courant de fuite augmentant lorsque des particules d’encrassement se déposent sur la surface 2 . Dans toute la présente description, on entend ainsi par salissure et encrassement la présence au contact de la surface 2 de toute particule déposée par l’environnement, qu’il s’agisse de pollen, de terre, de sable, etc… A l’inverse, on entend par état « propre » ou initial, qui est l’état de la surface 2 utilisé comme référence, un état où la surface 2 est neuve et comporte une quantité de particules nulle ou négligeable. L’unité de contrôle 5 utilise un algorithme de détermination de la salissure de la surface 2 . Comme de nombreuses données environnementales affectent la résistance d’isolement de la surface 2 , en particulier l’humidité, l’algorithme de détermination prend en compte les mesures issues d’une station météorologique 6 . La station météorologique 6 comprend un ensemble de capteurs environnementaux, parmi lesquels peuvent se trouver un détecteur de particules, un hygromètre, un capteur de luminosité et un thermomètre mesurant une température ambiante, un thermomètre mesurant la température de la surface 2 , un capteur de point de rosée, un pluviomètre, un anémomètre, un spectromètre, une horloge. Avantageusement, la station météorologique 6 comprend plusieurs capteurs de particules configurés pour détecter des particules de tailles différentes et la masse de ces particules. A partir de ces mesures et de la résistance d’isolement, un modèle permet de déterminer un niveau de salissure, qui correspond à un rapport entre un état de la surface 2 dit actuel, c’est-à-dire à l’instant du calcul par l’unité de contrôle 5 , l’instant étant défini par une horloge interne de l’unité de contrôle 5 , et un état initial de la surface 2 qui correspond de préférence au moment de la mise en service du dispositif de surveillance 1 , moment où la surface 2 était propre, dépourvue de toute particule et était donc, dans le cas d’un module solaire, au maximum de son rendement. Lorsque le rapport de salissure dépasse une valeur seuil prédéterminée, un message peut être envoyé par une unité de communication 51 de l’unité de contrôle 5 à une plateforme de gestion distante, qui peut alors diligenter des opérations de maintenance afin de restaurer la pleine efficacité des modules solaires. Le profil d’alimentation appliqué par la source d’alimentation 3 à la surface 2 peut être modifié par l’unité de contrôle 5 en fonction des conditions météorologiques déterminées par les mesures de la station météorologique 6 afin d’extraire de façon précises les paramètres d’isolement, notamment l’impédance d’isolement. La précision du niveau de salissure déterminé par le modèle peut être encore améliorée lorsque l’unité de contrôle 5 commande un profil d’alimentation dans lequel la tension appliquée est alternative. Un tel profil d’alimentation alternatif peut être utilisé en succession avec le profil d’alimentation continu décrit précédemment. L’impédance d’isolement de la surface 2 est alors déduite des mesures de la tension et du courant alternatifs, fournies par le système de mesure 4 et représente une capacité électrique de la surface 2 . L’algorithme de détermination utilise dans ce cas un modèle déterminant à partir de la capacité électrique et des données de la station météorologique 6 un niveau de salissure par rapport à l’état initial. En effet, les particules sur la surface 2 forment une capacité « parasite », de valeur variable selon la granulométrie des particules présentes. De façon préférentielle, dans le cas où on utilise des mesures sur la base de courant et tension alternatifs, la fréquence du profil d’alimentation est autour de 1Hz à 100kHz. Ceci permet d’avoir une précision supplémentaire sur les mesures car les particules de salissures induisent une capacité parasite différente en fonction de leurs typologies, capacité qui est mesurée dans cette plage de valeur. Les deux profils d’alimentation en tension, continu ou alternatif, peuvent être utilisés indépendamment ou l’un après l’autre. Avantageusement, la surface 2 est encadrée par un cadre conducteur 7 , par exemple en aluminium, qui est au contact de tout le pourtour de la surface 2 . La source d’alimentation 3 et le système de mesure de la tension et du courant 4 est aussi connecté au cadre 7 d’un côté et aux polarités positive et négative de l’autre. On définit la résistance d’isolement comme la valeur de la résistance entre le cadre du module et les polarités. Celle-ci dépend des constantes matériaux (résistivité du verre par exemple etc.), de la taille du module mais aussi de l’état de surface du module. La résistance d’isolement peut être également la résistance de surface qui est mesurée par des sondes de mesure, typiquement deux ou plusieurs sondes posées à la surface 2. Ces sondes de surface peuvent être de tout type, par exemple un ruban adhésif conducteur d’électricité en aluminium de la marque RAJA TM ou en cuivre de la marque MANUTAN TM , une plaque de cuivre, etc. La même définition peut être appliquée à la capacité d’isolement qui est mesurée dans le cas des courants et tensions alternatifs. Les sondes de surface peuvent être posées ou collées sur la surface 2 et peuvent être placées à égale distance du cadre 7 les unes des autres. De préférence, leurs emplacements ne sont plus modifiés pendant les mesures, afin d’éviter des effets parasites, notamment créés par les résistances entre le bord de la surface 2 et le cadre 7 . La distance entre les sondes peut être sensiblement inférieure à la distance au cadre 7 . L’invention concerne également, en référence à la FIG. 2 , un procédé de calibration d’un dispositif de surveillance 1 selon l’un des modes de réalisation ci-dessus. Une première étape (S1) consiste à disposer dans un environnement contrôlé une surface 2 de référence, par exemple un volume fermé en laboratoire. Par surface 2 de référence, on entend que cette surface 2 a des caractéristiques d’aire, d’épaisseur et de matière similaire à la surface 2 qu’on souhaite surveiller par la suite en condition réelles d’utilisation. L’environnement contrôlé est de préférence clos et présente des caractéristiques d’humidité, d’éclairement, de température mesurées en continu. Avantageusement, des systèmes permettent de faire varier ces caractéristiques de façon précise, afin de soumettre au cours d’une étape d’acquisition (S2) la surface 2 à une gamme de caractéristiques la plus large possible. Pendant la durée de l’acquisition, au cours d’une succession d’instants constituant les intervalles de mesure, l’impédance d’isolement, la résistance ou la capacité, de la surface 2 est donc mesurée pour différentes valeurs d’humidité, de température et d’éclairement, les valeurs variant de préférence une à une afin que les mesures couvrent le plus de situations possibles. A chaque instant où l’impédance d’isolement est mesurée, sont également mesurés les paramètres nécessaires au calcul du rapport de salissure, pouvant être défini par exemple comme suit dans le cas où une surface 2 est un module photovoltaïque : Où est le rapport de salissure ; le courant de fuite entre les deux points d’application de la tension sur le module sale ; le courant de fuite de référence du module photovoltaïque entre les deux points d’application de la tension sur le module de référence, en ampère, mesuré en conditions contrôlées ; RH2 est l’humidité à la surface 2 du module de référence, pouvant être exprimée à partir de l’humidité ambiante et de la température d’un module ; RH1 est l’humidité à la surface 2 du module sale, pouvant être exprimée à partir de l’humidité ambiante et de la température d’un module, exprimée sans unité en pourcentage ; T2 température du module propre en degrés Celsius (°C) ; T1 température du module sale en degrés Celsius (°C) ; V2 tension appliquée entre les deux points du module propre en volt (V) ; V1 tension appliquée entre les deux points du module sale en volt (V) ; V1 et V2 peuvent être utilisés comme paramètres non linéaires de ; A, B, C, D des coefficients empiriques estimés en laboratoire, sans unité ; PM valeur de particule par taille pouvant être classée en catégories, par exemple inférieure à 2.5µm, comprise entre 2.5-10µm etc. et a, b, c, d, e) des coefficients de régression estimés en laboratoire, sans unité. L’ensemble des mesures acquises est ensuite utilisé pour établir (S3) un modèle ou une approximation de la loi reliant le niveau de salissure à l’impédance d’isolement et aux données environnementales. La précision du modèle est considérablement améliorée lorsque l’étape d’acquisition (S2) comprend également l’acquisition de mesures de volume, de surface couverte et de masse de particules déposées sur la surface 2 de référence au cours de la succession d’instants. De façon encore plus avantageuse, les particules sont choisies pour être similaires ou identiques à celles qui seront déposées en condition réelle sur la surface 2 . La capacité électrique d’isolement de la surface 2 de référence, qui est modifiée par les particules présentes, est également mesurée au cours de la succession d’instants et à une fréquence de tension et courants définie dans la plage de valeurs donnée et pouvant être modifiée, le modèle établi reliant alors la mesure de la capacité, la mesure de la résistance d’isolement et les mesures des données environnementales à un instant précis au rapport de salissure entre l’instant précis et un instant de référence, typiquement un état initial qui peut être établi dans l’environnement contrôlé à partir de la surface 2 de référence. Bien entendu, les procédés décrits ci-dessus sont également applicable au cas où la surface 2 de référence est encadrée par un cadre 7 conducteur. Le modèle peut être établi par régression, en utilisant toutes les méthodes adaptées, particulièrement les méthodes d’apprentissage automatique, par exemple en utilisant un réseau de neurones artificiels. Le dispositif selon l’invention est simple, peu coûteux et permet un suivi continu de la propreté d’une surface sans nécessiter d’intervention humaine. La méthode de détection utilisant l’impédance d’isolement est particulièrement adaptée à la surveillance de la propreté de cellules photovoltaïques, puisque la mesure est indépendante des pertes dues au vieillissement naturel du module. Dispositif de surveillance ( 1 ) de la propreté d’une surface ( 2 ), comprenant une source d’alimentation ( 3 ) électrique configuré pour être connectée à la surface ( 2 ) afin de mettre sous tension la surface ( 2 ) en deux ou plusieurs points, un système de mesure de la tension et du courant ( 4 ) résultant de la mise sous tension de la surface ( 2 ), une station météorologique ( 6 ) configurée pour acquérir des données environnementales de la surface ( 2 ), le dispositif de surveillance ( 1 ) comprenant une unité de contrôle ( 5 ) configurée pour - commander la source d’alimentation ( 3 ) selon un profil d’alimentation, - déterminer à partir du courant et de la tension mesurés une impédance d’isolement induite par la surface ( 2 ), - déterminer un niveau de salissure de la surface ( 2 ) par rapport à un état initial « propre » de la surface ( 2 ) à partir de la mesure d’impédance et des données d’environnement issues d’une station météorologique ( 6 ). Dispositif de surveillance selon la revendication 1, dans lequel l’unité de contrôle ( 5 ) et le système de mesure de la tension et du courant ( 4 ) sont configurés pour déterminer le niveau de salissure de la surface ( 2 ) à partir de mesures de tension et du courant alternatifs à fréquences variables en déduisant de ces mesures une capacité électrique induite par la surface ( 2 ), ou à partir de mesures de tension et du courant continus, en déduisant de ces mesures une résistance électrique induite par l’état de la surface ( 2 ). Dispositif de surveillance selon l’une des revendications précédentes, un cadre conducteur ( 7 ) encadrant la surface ( 2 ) surveillée, la source d’alimentation ( 3 ) étant adaptée pour être connectée au cadre ( 7 ) d’un côté et à des polarités positive et négative de la surface ( 2 ) d’un autre, le système de mesure de la tension et du courant ( 4 ) mesurant la tension et le courant circulant dans le cadre ( 7 ). Dispositif de surveillance selon la revendication 3, la source d’alimentation ( 3 ) étant configurée pour être connectée à plusieurs des points de la surface ( 2 ) surveillée, et le système de mesure de la tension et du courant ( 4 ) mesurant la tension et le courant circulant dans le cadre ( 7 ). Dispositif de surveillance selon l’une des revendication 1 à 4, dans lequel les données environnementales mesurées par la station météorologique ( 6 ) comprennent une quantité de particules, la masse des particules, une humidité, un niveau de d’éclairement, une température ambiante, une température de la surface ( 2 ) et un point de rosée, pluviomètre, vitesse de vent, spectromètre, date et heure. Dispositif de surveillance selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le système de mesure de la tension et du courant ( 4 ) comprend un pont diviseur de tension et/ou une résistance de mesure du courant. Dispositif de surveillance selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’unité de contrôle ( 5 ) comprend un système de communication ( 51 ) configuré pour émettre un message d’avertissement lorsque le niveau de salissure dépasse un seuil prédéterminé. Dispositif de surveillance selon l’une des revendication 1 à 7, dans lequel la tension appliquée à la surface ( 2 ) par la source d’alimentation ( 3 ) est comprise entre 1000 volts et 10 000 volts. Procédé de calibration d’un dispositif de surveillance selon l’une des revendication 1 à 8, comprenant les étapes suivantes : - disposer (S1) une surface ( 2 ) de référence dotée du dispositif de surveillance ( 1 ) dans un environnement dans lequel les données environnementales sont contrôlées ; - acquérir (S2) des mesures d’une résistance d’isolement de la surface ( 2 ) de référence et d’un niveau de salissure entre des états de la surface ( 2 ) de référence à une succession d’instants prédéterminés et un état initial « propre », les données environnementales variants au cours de la succession d’instants ; - établir (S3), à partir des mesures acquises, un modèle reliant le niveau de salissure à l’impédance d’isolement et aux données environnementales. Procédé de calibration selon la revendication 9, dans lequel l’étape d’acquisition (S2) comprend l’acquisition de mesures de volume, de surface couverte et de masse des particules déposées sur la surface ( 2 ) de référence au cours de la succession d’instants ainsi que de l’impédance électrique de la surface ( 2 ) de référence au cours de la succession d’instants, le modèle étant établi (S3) en prenant en compte ces mesures. Procédé de calibration selon l’une des revendications 8 ou 10, dans lequel le modèle est établi (S3) en effectuant par une méthode d’apprentissage automatique une régression sur les mesures acquises.