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3 mars 2011 4 03 /03 /mars /2011 11:10

4 Mars 2011


Un panneau photovoltaïque offre l’aspect faussement robuste d’une plaque de verre dans un cadre en alu. Quoi de plus fiable à première vue ? un objet rigide capable de supporter le poids d’un homme, et qui ne subira aucun stress mécanique sa vie durant, à part quelques averses et un peu de poussière.


En réalité il s’agit d’un objet de haute technicité malgré ses apparences rustiques, et ses conditions de fonctionnement sont sévères:


- On attend de lui qu’il fournisse de bons et loyaux services pendant plus de 200 000 heures, alors qu’on n’en demande que 5 000 à un téléviseur ou un ordinateur, et encore moins à une automobile.


- Son cœur de Silicium est dépourvu de protection, alors que tous les autres semi-conducteurs sont protégés dans un boîtier.


- Il doit continuer à fonctionner normalement à des températures ambiantes extrêmes, de l’hiver scandinave à l’été africain.


- Les cellules de Silicium doivent dissiper une puissance importante (Plus de 800W pour 100 W utiles) sans dissipateur thermique, alors que normalement un semiconducteur de puissance dispose d’un radiateur.


- Il doit subir 9 000 alternances jour/nuit ( sur 25 ans ), avec les écarts de température correspondant.


- Sa grande surface lui impose des contraintes de dilatation de plusieurs mm à chaque cycle de température.


- Il doit supporter sans défaillir les atteintes du milieu extérieur: Pluie, neige, grêle, poussières abrasives, embruns salés, moisissures, fientes, pluies acides, rayons UV, ammoniac ( milieu agricole), chocs, corrosion.


- Malgré tout cela il doit conserver sa transparence pour assurer un bon rendement.


Ce régime de forçat , subi pendant de nombreuses années sans interruption, pénalise la fiabilité du produit, qui est exposé à de nombreuses causes de pannes ou de disfonctionnement.


Voici un florilège des évènements qui peuvent troubler la bonne santé de notre panneau:


- Détérioration des contacts électriques sur les cellules.


- Court-circuit au niveau d’une cellule.


- Claquage par formation d’arc électrique.


- Craquage de la plaquette de Si ( contraintes de dilatation).


- Délaminage des couches de protection.


- Détérioration d’une ou plusieurs diodes de by-pass.


- Hot-spot.


- Jaunissement ou brunissement du matériau d’enrobage ( EVA ou autre).


- Détérioration du traitement anti-réflexion.


- Pénétration d’humidité ou de moisissure.


- Corrosion électrochimique.


- Surchauffe ( mauvais refroidissement).


- Claquage du verre de protection ( contrainte de dilatation suite à mauvais montage).


- Détérioration des contacts électriques par corrosion.


- Etc….


Les tests effectués en sortie d’usine sur chaque pièce éliminent les produits touchés par la mortalité infantile, mais ne donnent pas d’information réelle sur la durée de vie.


Chaque nouveau modèle doit subir des tests pour satisfaire les normes de la profession, et en particulier un test de vieillissement accéléré.


Ces tests de vieillissement sont bien sûr d’une durée limitée et ne peuvent pas mettre en évidence certains phénomènes qui n’apparaissent qu’avec le temps.


La profession manque du recul nécessaire pour les interpréter . Les constats effectués aujourd’hui sur des installations vieilles de dix ou quinze ans sont de peu de valeur car les technologies ont largement évolué depuis, et continueront de le faire.


La durée de vie effective d’un produit dépendra de la qualité de fabrication, des matériaux utilisés, de la façon dont ils sont montés. Ces paramètres ne figurent pas dans les notices.


D’autre part, que vaut la garantie offerte par un fabricant dont on n’est pas sûr qu’il existera encore dans dix ans ?


Il est donc essentiel de connaître l’origine des panneaux PV choisis pour un projet. Qui est le fabricant, quelle est la situation commerciale de cette société, son implantation, son expérience, sa réputation sur le marché. Il sera toujours préférable de choisir un fabricant qui intègre toutes les étapes depuis le silicium jusqu’au produit final. Le prix ne doit pas être le seul critère de choix.


Certains fabricants ont pris en compte le problème de durée de vie en proposant une garantie couverte par une grande compagnie d’assurance indépendante. Si le fabricant disparaît, la garantie reste valable sur toute la durée du contrat.


Le meilleur des panneaux ne donnera satisfaction que s’il est bien monté. Le système de montage devra tenir compte de la dilatation, qui peut atteindre plusieurs centimètres sur l’installation, et du refroidissement qui conditionne le rendement et la durée de vie.


Pour une surface importante montée en intégration à la toiture, la température de cellules au centre de la surface pourra atteindre 90°C en été et sans vent. Ceci affectera grandement la fiabilité des cellules.


Dans un panneau PV, chaque cellule ( il y en a par exemple 36 ou 72 par panneau) est un semi conducteur de puissance.


Un semi conducteur de puissance, utilisé selon les règles de l’art, doit être muni d’un dispositif de refroidissement calculé pour maintenir la température de jonction en dessous d’une valeur déterminée.


La pastille de silicium est soudée sur une embase métallique, laquelle est ensuite fixée sur un radiateur convenablement dimensionné. On ajoute parfois un ventilateur si la convection naturelle ne suffit pas.


Rien de tout cela dans un panneau PV. les « Wafers » sont simplement encapsulés entre deux tranches d’EVA, avec une paroi de verre au-dessus, éventuellement une autre en dessous. Aucun radiateur, la chaleur doit s’évacuer comme elle peut à travers les couches d’EVA et le verre, très mauvais conducteurs de chaleur. Dans le meilleur des cas une circulation d’air apportera un léger rafraîchissement.


L’essentiel de la dissipation se fera par rayonnement infrarouge, surtout par la face supérieure .


Quelle est alors la température atteinte par les cellules ?


Les constructeurs sont extrêmement discrets sur le sujet. Les tests de panneaux sont effectués à une température de cellules de 25 °C, qui ne correspond pas à la réalité, puisque le panneau est chauffé par le Soleil.


Par exemple, pour un panneau BP Solar 4175 T, on trouve les indications suivantes:


Conditions de mesures NOTC ( Normal Operating Thermal Conditions ):


Température ambiante: 20 °C


Irradiance solaire: 800 W/m2


Vent: 1 m/s, refroidissement par les deux faces.


Température de cellules: 47 +/- 2 °C.


En plein été la température ambiante peut atteindre 40 °C, même sous nos latitudes. Cela fait 20 °C de plus ( 47 + 20 = 67 °C).


L’irradiance au sol peut atteindre 1 000 W/m2, soit 25% au-dessus de la valeur de mesure ( 67 x 1,25 = 83 °C ).


Le vent de 1 m/s n’est pas toujours présent , et le refroidissement s’en ressent, surtout pour une installation intégrée, très mal aérée en dessous. La température des cellules peut alors atteindre 100 °C.


La loi de Stephan-Boltzmann nous donne une idée de ce que le panneau va endurer:


La relation entre la puissance rayonnée par une surface de 1 m2 et pour un différentiel de température T ( °K) est donnée par la formule:


P = 5,67 x 10 (puisssance -8) x T ( puissance 4 ).


Sous un beau Soleil d’été la puissance rayonnée par le Soleil atteint


1000 W/m2. Une faible partie est réfléchie ( le moins possible), et environ 13% du reste est transformé en électricité. Environ 780 W sont absorbés par le panneau, qui s’échauffe. Il atteint une température telle que les 780W absorbés sont rayonnés à l’extérieur ( équilibre ).


La formule magique nous apprend que le différentiel de température est alors de 342 °K, soit 69 °C.


Si la température ambiante est de 30°C ( ce qui n‘est pas exceptionnel en été ) , la température des cellules voisine alors les 100°C ( probablement davantage au centre du panneau).


Nous sommes très loin des 25°C du test.


On observe alors une baisse du rendement de 30% ( 0,4 %/°C) par rapport à la valeur catalogue mesurée à 25°C.


De plus cette température élevée entraine sur la durée un vieillissement prématuré.


Il est donc essentiel d’aérer les panneaux pour apporter un surplus de refroidissement par convection, même si les panneaux standards sont peu performants de ce point de vue. On peut réduire ainsi la température de 20%. A condition qu’il y ait un peu de vent….


Dans les régions très ensoleillées, les cellules subiront donc des conditions beaucoup plus sévères que celles qui sont décrites dans les notices.


La situation peut être grandement améliorée en ayant recours au solaire hybride.


Les cellules PV sont montées dans un cadre qui permet la circulation d’un fluide de refroidissement qui peut être l’air, de l’eau, ou tout autre fluide non corrosif. On bénéficie ainsi d’un double avantage:


Abaissement de la température des cellules, donc augmentation du rendement électrique et prolongation de la durée de vie.


Récupération de chaleur qui pourra être utilisée directement ou transformée en électricité.


Les installations photovoltaïques actuelles n’utilisent que 10 % de l’énergie reçue. La technologie hybride permet de porter ce rendement à plus de 50%, et donc d’optimiser l’utilisation de surface tout en garantissant la fiabilité.


Il est logique de penser que la prochaine génération sera hybride…



 


 



 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 

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commentaires

photovoltaique chateaubriant 30/07/2015 16:49

Patrick emsellem avez-vous eu une réponse de l'auteur ?

doc zaius 10/02/2013 15:50

Bonjour,
mes modestes écrits peuvent être utilisés sans modération ni droits d'auteur, erreurs comprises.
J'aimerais simplement avoir une copie de votre document promotionnel pour mon intérêt personnel.
Merci.

patrick emsellem 10/02/2013 12:03

Bonjour, je trouve que ces explications sont juste, il est évidant que l'avenir est à l'hybride ou panneau avec dissipateur, je suis concepteur d'un refroidisseur breveté et à ce jour je n'ai pas
encore lu un exposé aussi bien détaillé et compréhensible par tout le monde.
Si vous le permettez, j'aimerais pouvoir éditer l'ensemble de votre commentaire, qui me semble une évidence dans l'explication de mon produit, je pourrais effectivement détourner ce texte en le
modifiant et le mettre à mon profit, mais intellectuellement pas honnête, merci de me donner votre consentement.

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