L ‘Effet photovoltaïque

En raison de la structure des cellules photovoltaïques, lorsque les photons du rayonnement lumineux incident entrent en collision avec le matériau semi-conducteur dans les cellules, l’énergie électrique est produite, c’est ce qu’on appelle l’effet photovoltaïque. Fondamentalement, la cellule solaire contient deux couches de silicium dopées différemment résultant en une jonction (P-N). La figure 2-1 montre la structure et le principe de fonctionnement d’une cellule solaire [6]. La couche qui fait face à la lumière est dopée négativement avec un semi-conducteur de type N (par exemple le Phosphore (P)). La couche ci-dessous est dopée positivement avec un semi-conducteur de type P (par exemple le Bore (Br)). Au niveau de la jonction (P-N), un champ électrique est produit ce qui conduit à la séparation des charges (électrons et trous) libérées par le matériau semi-conducteur. Sous l’effet du rayonnement photonique, les paires électron-trou générées dans la barrière de potentiel sont séparées par le champ électrique qui y règne. Les trous sont accélérés vers la zone dopée (P) et les électrons vont vers la zone dopée (N). Les trous et les électrons deviennent alors majoritaires sur les faces externes des zones (P) et (N).

Afin d’extraire l’énergie de la cellule solaire, des contacts métalliques (pâte d’aluminium ou d’argent) sont fixés à l’avant et à l’arrière de la cellule. La sérigraphie est normalement utilisée à cet effet. Les contacts avant doivent laisser passer autant de lumière que possible. De plus, si une charge est connectée aux bornes de la cellule PV, un courant continu commence à circuler. Les pertes se produisent au niveau de la cellule solaire en raison de la recombinaison, de la réflexion et de l’ombrage causés par les contacts avant. De plus, une grande partie de l’énergie de rayonnement de longueur d’onde courte et longue ne peut pas être utilisée. La grandeur de ces pertes détermine l’efficacité de la cellule PV. Selon la théorie de la physique quantique, un rendement de 26 % peut être obtenu pour la cellule de silicium, mais les cellules commerciales ne dépassent pas 17 %, ces valeurs montrent qu’une seule petite partie de l’énergie solaire peut être utilisée efficacement pour produire de l’électricité.

Le système photovoltaïque et ses défauts

La configuration simple du système PV donne l’impression aux propriétaires qu’il est sans défaut et ne nécessite aucun entretien [12]. En réalité, de nombreuses inspections sur site, comme les études de 19 systèmes PV différents en Turquie [13] et plusieurs centrales photovoltaïques en Italie [14], en plus des deux centrales photovoltaïques aux États-Unis (La centrale photovoltaïque de 383 kWc à Bakersfield (figure 3-1), Californie et une centrale électrique de 1,208 MWc à Mount Holly, Caroline du Nord (figure 3-2 » qui ont été brûlées en 2009 et 20 Il [15], [16], ont indiqué que la majorité des défauts du système PV nécessitent une intervention même lors du remplacement des composants. Tout événement entraînant une baisse de la production totale estimée pourrait être associé à une certaine faute. Les défauts peuvent être classés en fonction de différents aspects, en particulier: le composant directement affecté par celui-ci, les causes, les effets et la réponse du système. Afin de classer les défauts, il est convenable de diviser le système PV en trois parties: le côté CA, le côté CC et l’onduleur entre eux. Si une défaillance est enregistrée sur le côté CA, les sources possibles sont le déséquilibre du réseau, un problème dans la liaison avec l’onduleur ou la charge et aussi au point de raccordement [17]. L’onduleur est l’élément central du système photovoltaïque connecté au réseau et sa partie la plus faible.

Des erreurs internes peuvent survenir pour différentes raisons et elles augmentent avec le vieillissement des composants. ‘Ces défauts peuvent être liés à ses composants internes, principalement les interrupteurs, le ventilateur, le MPPT ou les varistances. La plupart des onduleurs sur le marché ont maintenant un système de détection de pannes très sophistiqué qui peut identifier le problème et générer un code d’erreur correspondant. Bien que l’onduleur ait été le composant présentant le plus grand nombre de défauts, c’est également celui qui a été amélioré grâce aux recherches sur les semiconducteurs d’électronique de puissance. En regardant les données statistiques, il est évident que les réponses des défauts liés à l’onduleur sont celles qui diminuent le plus significativement. D’autres sources de problèmes d’onduleurs sont l’effet de surtension résultant des orages, de la commutation du réseau, du vieillissement ou des charges thermiques [16][18] . Bien que le côté CC soit celui qui présente la plus faible quantité d’échecs, il est plus compliqué d’analyser et de détecter les origines des défauts en raison du nombre de composants inclus et des caractéristiques de sortie non linéaires des panneaux photovoltaïques. Cela rend les défauts difficiles à distinguer.

Pour simplifier le diagnostic des défauts, une distinction doit être faite entre les défauts qui amènent à un arrêt complet d’une chaîne entière ou de l’installation complète et ceux qui ne conduisent qu’à une réduction de la puissance produite soit temporaire ou permanente. Parmi les facteurs qui peuvent conduire à la déconnexion totale d’un module, une chaîne ou le générateur photovoltaïque sont des problèmes survenant dans le câblage et la connexion ou le générateur comme la corrosion, la mise à la terre, le court-circuit. Autres problèmes qui peuvent survenir sont dus aux équipements de protection comme la panne des diodes ou des relais de protection [19]- [21]. D’autre part, les facteurs qui se traduisent par une diminution de la puissance produite sont principalement la dégradation ou la rupture d’une cellule ou d’un module et les phénomènes d’ombrage [22]- [26]. Les phénomènes d’ombrage peuvent être liés à la présence d’ obstacles qui ne permettent pas au rayonnement solaire d’atteindre les panneaux. Un autre facteur peut être une surface sale des panneaux comme la salissure et l’enneigement [27], [28]. Le tableau 3-1 résume les principaux défauts d’un générateur photovoltaïque.

Analyse des caractéristiques

Le champ photovoltaïque peut être décrit par sa caractéristique courant/tension statique (caractéristique 1-V). La modification d’une telle caractéristique peut être attendue en cas de changement de l’état du champ PV provoqué par un changement des conditions de fonctionnement (ensoleillement et température) ou par l’apparition d’un ou plusieurs défauts sur le terrain. Stellbogen [33] a d’abord introduit une méthode basée sur l’analyse des caractéristiques courant-tension pour la détection des défauts dans les systèmes photovoltaïques. Cette méthode est basée sur la comparaison des paramètres électriques attendus et réels obtenus à partir des caractéristiques 1-V, et peut identifier différents défauts, en particulier les problèmes de déconnexion. La nature des caractéristiques I-V ne peut pas toujours détecter la présence de défauts, d’où Miwa et al. [34] ont proposé une méthode basée sur des caractéristiques 1-V différentielles, c’est-à-dire des courbes (dIldV), qui sont efficaces pour détecter la baisse de la production d’électricité. Daliento et al. [35] ont analysé la première et la deuxième dérivation de la courbe 1-V afin de détecter d’éventuels défauts dans la résistance série et la diode de dérivation. Chao et al. [36] ont proposé une méthode basée sur la fonction de corrélation étendue et le modèle élément-matière pour identifier certains défauts dans un petit système PV et les résultats indiquent qu’il peut détecter les types de dysfonctionnements correctement et rapidement. Kaplanis et al. [37] ont calculé le facteur de forme, Rs et Rsh pour les caractéristiques 1-V sur la base de la lumière incidente, l’analyse de ces indicateurs donne une indication de la dégradation du module dans le temps. Le travail effectué par Kang et al. [38] ont présenté une nouvelle méthode pour diagnostiquer la baisse de la puissance de sortie dans les panneaux photovoltaïques, basée sur l’ajustement de la relation 1-Ven utilisant des filtres de Kalman. Cette méthode peut être utilisée pour détecter des défauts d’ombrage partiels.

Tina et al. [39] ont proposé une méthode basée sur l’estimation et la comparaison des paramètres clés d’un module PV. Les paramètres calculés sont utilisés pour détecter les défauts à long terme (par exemple vieillissement, semelle, délaminage, etc.), et pour construire une référence de courbe 1-V quand un défaut inattendu se produit (par exemple ombrage, diode de panne, etc.). Chine et al. [40] ont proposé une technique automatique simple pour le diagnostic des défauts dans les panneaux PV, basée sur l’analyse des anomalies observées sur la caractéristique 1-V. Les résultats démontrent que la technique fonctionne bien et identifie avec précision les classes de défauts étudiées liées aux problèmes de connexion, aux diodes ombrées et aux pannes. Hu et al. [41] ont introduit une méthode de diagnostic de panne de générateur photovoltaïque en ligne à faible coût avec des emplacements de capteurs de tension optimisés. Rezgui et al. [42] ont introduit un nouvel algorithme de détection de défauts capable de modéliser les modules PV en un fonctionnement sain et défectueux et de détecter les défauts de court-circuit, de circuit ouvert, d’impédance et de polarité inversée. Hachana et al. [43] ont développé un outil de diagnostic pour la construction de systèmes PV intégrés, basé principalement sur une table de consultation, en analysant les caractéristiques 1-V.

La diode de dérivation, l’effet d’ombrage, les scénarios de défauts de sous-chaîne déconnectés et court-circuités ont été étudiés. L’efficacité du système est augmentée en utilisant un onduleur centralisé. Wang et al. [44] ont utilisé la technique d’optimisation des essaims de particules modifiées pour extraire les paramètres intrinsèques des caractéristiques dynamiques de 1-V, puis l’ont utilisée pour détecter les modules PV fissurés. Selon les auteurs, le concept proposé permet l’évolutivité et la télédétection sans modifier l’infrastructure existante [45]. Comme mentionné, l’utilisation de la caractéristique 1-V pour détecter et localiser les défauts a été réalisée dans de nombreux travaux. D’autre part, l’analyse dans le sens opposé a été réalisée par de nombreuses autres études. Une telle analyse consiste à étudier l’impact des différents défauts (dans la cellule, le module, la chaîne et le champ) sur les performances du champ PV et sa caractéristique 1-V.