EP4454122A1 - Procede et dispositif de suivi de point de puissance maximale et de surveillance de degradation d'un module photovoltaique - Google Patents

Procede et dispositif de suivi de point de puissance maximale et de surveillance de degradation d'un module photovoltaique

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Publication number
EP4454122A1
EP4454122A1 EP22835075.7A EP22835075A EP4454122A1 EP 4454122 A1 EP4454122 A1 EP 4454122A1 EP 22835075 A EP22835075 A EP 22835075A EP 4454122 A1 EP4454122 A1 EP 4454122A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
degradation
module
parameters
monitoring
mpp
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22835075.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Baptiste PUEL
Arthur JULIEN
Jean-François GUILLEMOLES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Electricite de France SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
Institut Photovoltaique dIle de France IPVF
TotalEnergies Onetech SAS
Original Assignee
Electricite de France SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
Institut Photovoltaique dIle de France IPVF
TotalEnergies Onetech SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Electricite de France SA, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Polytechnique, Institut Photovoltaique dIle de France IPVF, TotalEnergies Onetech SAS filed Critical Electricite de France SA
Publication of EP4454122A1 publication Critical patent/EP4454122A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
    • H02S50/10—Testing of PV devices, e.g. of PV modules or single PV cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R21/00—Arrangements for measuring electric power or power factor
    • G01R21/06—Arrangements for measuring electric power or power factor by measuring current and voltage

Definitions

  • This disclosure relates to the field of the management and operation of photovoltaic modules such as panels or sets of photovoltaic panels.
  • MPPT Maximum Power Point Tracker For single-junction or multi-junction photovoltaic modules. These MPPT devices are used on photovoltaic installations such as a solar farm, on roofs or others. They are suitable for monofacial or bifacial photovoltaic modules in particular.
  • silicon cells are a mature technology which has benefited from decades of research to increase its reliability.
  • Such cells can however now be associated with perovskite cells, for which one of the challenges remains the stability over time of the materials constituting them. It is therefore necessary to be able to follow their degradation and know the causes of this degradation and their distribution over time and frequency.
  • This disclosure improves the situation and makes it possible to find the causes of reduced module yield and to improve the monitoring of the performance and degradation of such photovoltaic modules.
  • the present disclosure relates to a method for monitoring the maximum power point of at least one photovoltaic module, comprising, according to a periodicity 8t 0 , measurements of the operating point l/V of said module and of the positionings of said operating point at its maximum power point MPP, and which comprises monitoring of the degradation of said module, said monitoring comprising:
  • steps for measuring the parameters I and V of said module for voltage-shifted points V PP+O and VMPP-P on the curve l(V) with respect to the maximum power point MPP steps for measuring the parameters I and V of said module for voltage-shifted points V PP+O and VMPP-P on the curve l(V) with respect to the maximum power point MPP, a calculation of the slope dl/dV+ at the point VMPP+O and of the slope dl/dV- at the point VMPP-P and storage of said data as well as the MPP,
  • n 2 5t 0 with n 2 steps for measuring values of I and V by scanning the curve l(V) and calculating parameters (Jsc; Voc; FF; Rs; Rsh; I0; n ) of the module and storage of said parameters and values,
  • the parameters measured during a life period of the monitored module(s) make it possible, by comparison with degradation models, to determine the type of degradation in progress and to inform the operators of the status of these modules. .
  • the method may comprise a modification of the values of and/or of n 2 throughout said monitoring.
  • the values of and/or of n 2 are reduced during the detection of a degradation and for which, in the absence of detection of the evolution of the degradation, the values of n1 and/or of n2 are increased with each loop of the algorithm.
  • the method may include one or more steps for selecting said data, parameters and values, to keep said data, parameters and values corresponding to meteorological conditions set by the user.
  • At least some of the p parameters may come from a calculation of the ratio of the time integral of the power at MPP by the product of the efficiency by the time integral of the irradiance perceived according to daily cycles.
  • At least some of the calculation, drawing and display steps include a drawing of curves of the slope dl/dV ⁇ as a function of the slope dl/dV+ for the points measured along said measurement steps.
  • the method may include a step of searching for degradation of the module and, in the event of degradation, a step of searching for a cause of degradation, for which said search is done by comparing the deviation of a set of curves modeled for different degradation modes with a curve obtained by the measurements.
  • the method may include a step for displaying the cause of degradation.
  • the method may include the comparison of one or more measured parameter curves with a degradation limit indicator beyond which an anomaly detection alert is sent to an operator.
  • the present disclosure further relates to a device for monitoring the maximum power point of a photovoltaic module comprising a box provided with a display screen and a processor and configured to implement the disclosed method and display the curves obtained.
  • Said box is inserted between one or more modules and a direct current / alternating current converter.
  • Said box may comprise a communication module with external link to a remote computer of a monitoring system configured to program in particular in the digital processor the types of measurements and the periodicity of these measurements or to recover measurement data made by said box and to transmit to an operator information on the status of the modules and alerts on the detection of anomalies.
  • the present disclosure also relates to a computer program comprising instructions for implementing the method described above when this program is executed by a digital processor.
  • the present disclosure finally relates to a non-transitory recording medium readable by a computer on which is recorded a program for the implementation of the method when this program is executed by a digital processor.
  • FIG. 1 represents a traditional J(V) curve of a photovoltaic cell
  • FIG. 2 represents the curve of FIG. 1 with measurement points according to an aspect of the present disclosure.
  • FIG. 3 shows a flowchart describing steps of embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 4 represents theoretical degradation curves according to several degradation mechanisms and a degradation curve measured for a module
  • FIG. 5 represents an embodiment of a box for implementing the method of the present disclosure. Description of embodiments
  • MPPT-DM Maximum Power Point Tracking with Degradation Monitoring in English
  • MPPT-DM Maximum Power Point Tracking with Degradation Monitoring in English
  • MPPT maximum power point tracking devices are conventionally used to continuously search for the optimal operating point of the module, making it possible to maximize energy production.
  • curve 1 of FIG. 1 represents the current density J 2 , a function of the voltage V 3 of a cell.
  • the tracking devices continuously seek to maintain power at the maximum power point MPP for the cells and for the modules. It is also known in an equivalent manner to use the current/voltage curve of a module to perform the MPP tracking function and in the case of the tracking of a module or several modules, according to the present disclosure the current/voltage curve l(V) is used for the calculations.
  • the monitoring device of the present invention is itself designed both to obtain the MPP and also to regularly analyze the evolution of various electrical parameters associated with the current-voltage characteristic of the modules.
  • the module will be controlled in a specific way through its monitoring device in order to recover the parameters in terms of current-voltage necessary to identify the current degradation path and the underlying mechanisms.
  • These parameters are measured by specific scanning of the current-voltage characteristic at defined instants in the life of the module and make it possible to deduce, by comparison with modeled data from this same module, the degradation paths as well as their causes in terms of mechanism To do this, this disclosure proposes a specific tracking device control algorithm (or MPP tracker in English) for photovoltaic module.
  • the tracking device performs measurements around the MPP in order to track this point of maximum power continuously and to maximize the power produced. .
  • a first measurement is made by shifting the operating point of the cell to a voltage VMPP-O, for example VMPP - 50 mV at point 5 and to VMPP+P for example VMPP + 50 mV at point 6 which gives respectively the tangent slope 7 dJ/dV- for the point at VMPP - 50 mV and the tangent slope 8 dJ/dV-i- for the point at V PP + 50 mV.
  • This interval around the maximum power point can be adjusted for a given photovoltaic installation, depending on the module technology.
  • points at VMPP - 100 mV and at VMPP + 50 mV or points at VMPP - 100 mV and at VMPP + 100 mV can be chosen.
  • the measurements are made on the curve l(V), with V, module voltage and I module current, a homothetic curve of the J(V) curve for which V is the cell voltage and J is the cell current density.
  • VMPP, a and p will be adapted to the number of cells put in series.
  • ⁇ 2 n 2 ⁇ 0 »6 ⁇ , chosen so as to have a slight impact on the electricity production, for example such that the measurements are made once a day or less, a plus a large number of points of the current-voltage curve are acquired on the l(V) curve, possibly with points distributed over the entire voltage range [0;Voc], in order to generate sufficient information to allow obtaining the parameters Jsc: Short-circuit current density (or short-circuit current for several cells), Voc: open circuit voltage, FF: form factor describing the shape of the curve.
  • Jsc Short-circuit current density (or short-circuit current for several cells)
  • Voc open circuit voltage
  • FF form factor describing the shape of the curve.
  • the collected data may optionally be subjected to pre-processing, to select those that have been measured under meteorological conditions set by the user (temperature, irradiance, etc.). For example, only measurements taken under conditions close to standard STC data (1000 W.m-2, 25°C) can be extracted.
  • This second method for which no prior selection of data is necessary, consists in calculating for each daily cycle the ratio of the time integral of the power at MPP by the product of the efficiency by the time integral of the irradiance perceived.
  • the acquired data can be compared with simulation results, which allow, knowing the characteristics of the module (spectral response, electrical, optical and thermal behavior), and using physical models called drift-diffusion , to determine the behavior in the case of the presence of different degradation mechanisms.
  • a finer optimization of this analysis can be performed by playing for example on a, p, or ot 2 .
  • the previously developed procedure is summarized in figure 3.
  • steps 100 and 110 the traditional operating point and MPP positioning measurements are performed.
  • a measurement 130 of the parameters I and V and dl/dV is carried out for points shifted to VMPP-O and VMPP+P on the curve l(V) above above and below MPP point and MPP data; dl/dV+; dl/dV- are stored in step 140.
  • performance and degradation indicator the following data: Efficiency, Jsc, Voc, Impp, Vmpp, FF, Rs, Rsh, dl/dV+, dl/dV-, and for “meteorological data” the following data via the use within the system of dedicated meteorological sensors: humidity, ambient and module temperature, wind speed, pressure, UV index, Irradiance.
  • the process is repeated by resetting the time counter to zero and by fixing the values of and of n 2 .
  • the values of and/or of n 2 can be modified throughout said monitoring to take account of any degradation of the panel to be monitored. These values can in particular be reduced during the detection of a degradation or increased in the absence of detection of evolution of the degradation. The values of and/or of n 2 can in particular change at each loop of the algorithm.
  • the data values are selected at step 190, for example to keep the measurements corresponding to fixed meteorological conditions, then data curves (up to P our P measured parameters) are plotted with superposition of measured and calculated data to compare the characteristics of the module in real time with the theoretical behaviors in the case of the presence of different degradation mechanisms.
  • step 210 In the event that degradation is detected in test 230, a process of analyzing said curves to find a cause of degradation is carried out in step 210 and its result is displayed in step 220.
  • the test 230 can be a comparison of the calculated curves with theoretical curves of types of degradation.
  • FIG. 4 An illustrative example of determining the degradation path for a perovskite module (single junctions) is represented in FIG. 4.
  • the curve dl/dV- (the slope in V mpp -a) is plotted, compared to dl/dV+ (the slope in V mpp + ⁇ ).
  • the measurement points 11 taken at given intervals throughout the use of the panel are superimposed on possible degradation curves according to various causes of degradation Me1, degradation of the hole extractor layer (“HTL degradation”), Me2, degradation of the interface between hole extractor layer and perovskite (“PVK/HTL interface defects”), Me3, degradation of the perovskite layer (“PVK defects”), Me4, degradation of the interface between electron extracting layer and perovskite (“PVK/ETL interface defects”), Me5 degradation of the electron extracting layer (“ ETL degradation” in English).
  • This determination can be generalized to any type of module.
  • the method may include the comparison 240 of one or more degradation mechanisms D with a degradation limit indicator DLIM beyond which an alert 250 for early detection of anomalies is sent to an operator.
  • the collected data can be analyzed according to distinct and/or chosen time ranges, the analysis can then make it possible to determine the mechanism responsible for the degradation during these periods.
  • a mechanism degrading performance in winter is not activated by weather conditions in summer, and that another mechanism is then decisive.
  • the analysis will therefore be differentiated for these periods.
  • the data collected and analyzes made can be applied to the entire photovoltaic installation, or a distinction can be made between the chains connected to the different inputs of the monitoring device(s).
  • Tracker MPPT-DM The tracking system called “tracker MPPT-DM" of the present disclosure which allows the monitoring of degradation mechanisms is presented in Figure 5 in the form of a box 12.
  • two panels 15 are each connected to a box 12 of the present disclosure, the two boxes being connected to a DC/AC converter 16 connected to a network 21 .
  • the box 12 which replaces a traditional MPP tracking box comprises power inputs 23 for connection to the panel and power outputs 22 to the converter and comprises an electronic card 17 provided with a digital processor 18, such as a microcontroller provided with digital and analog inputs/outputs by example, its associated memory 19, further provided with a display 13 allowing the results to be viewed, possibly a keyboard 14 and/or a communication module 20 with external link 25 to a remote computer 24 configured for example to program in particular in the digital processor 18 the types of measurements and the periodicity of these measurements or recover measurement data made by said box and to transmit to an operator information on the status of the modules and alerts on the detection of anomalies.
  • a digital processor 18 such as a microcontroller provided with digital and analog inputs/outputs by example, its associated memory 19, further provided with a display 13 allowing the results to be viewed, possibly a keyboard 14 and/or a communication module 20 with external link 25 to a remote computer 24 configured for example to program in particular in the digital processor 18 the types of measurements and the periodicity of
  • the digital processor 18 and its memory are configured to implement the method for monitoring the maximum power of the module(s) and the steps of the method of the present disclosure.
  • This system is adaptable to any type of photovoltaic module.
  • the box is inserted between photovoltaic modules such as photovoltaic panels and a direct voltage/alternating voltage (DC/AC) converter itself connected to an alternating network.
  • the monitoring device can be integrated into the inverter box and be included in a “photovoltaic inverter” offer.
  • the tracking device can also be used with or without the degradation analysis function.
  • the present disclosure can apply to different types of modules regardless of their technology, the silicon and perovskite technologies being cited by way of non-limiting example and can relate to a photovoltaic field comprising more than two panels and in particular can comprise several rows of panels each connected to an MPPT-DM device as described.

Landscapes

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Abstract

Procédé de suivi de point de puissance maximale d'un module photovoltaïque, comportant, selon une périodicité δt 0 ,des mesures (120) de point de fonctionnement l/V du module et des positionnements dudit point de fonctionnement à son point de puissance maximal MPP, comportant une surveillance de la dégradation dudit module, ladite surveillance comportant : - selon une périodicité n 1 δt 0 avec n1>1 constant ou variable, des étapes (130, 140) de mesure des paramètres I et V du module pour des points décalés en tension VMPP+α et VMPP-β sur la courbe l(V) par rapport au point de puissance maximale MPP, un calcul de la pente dl/dV+ au point VMPP+α et de la pente dl/dV- au point VMPP-β et de mémorisation desdites données ainsi que du MPP, selon une périodicité n 2 δt 0 avec n2 ≥ n1 > des étapes (160, 170) de mesure de valeurs de I et V en balayant la courbe l(V) et de calcul de paramètres (Jsc; Voc; FF; Rs; Rsh; I0; n) du module et de mémorisation desdits paramètres et valeurs, - une ou plusieurs étapes (200) de calcul, de tracé et d'affichage de (P/2) courbes de couples de données à partir des p paramètres mesurés et calculés, - une ou plusieurs étapes de détection de dégradation à partir des desdits paramètres mesurés et calculés.

Description

Description
Titre : PROCEDE ET DISPOSITIF DE SUIVI DE POINT DE PUISSANCE MAXIMALE ET DE SURVEILLANCE DE DEGRADATION D’UN MODULE PHOTOVOLTAÏQUE
Domaine technique
[0001] La présente divulgation relève du domaine de la gestion et de l’exploitation de modules photovoltaïques tels que des panneaux ou ensembles de panneaux photovoltaïques.
Technique antérieure
[0002] Il est connu d’utiliser des dispositifs de suivi de point de puissance maximale (MPPT Maximum Power Point Tracker en Anglais) pour modules photovoltaïques monojonction ou multi-jonctions. Ces dispositifs MPPT sont utilisés sur des installations photovoltaïques telles qu’une ferme solaire, sur des toits ou autres. Ils sont adaptés à des modules photovoltaïques monofaciaux ou bifaciaux notamment.
[0003] Il est aussi connu que les matériaux constituant les différentes sous-cellules d’un module mono-jonction ou multi-jonctions sont amenés à se dégrader avec le temps.
[0004] A ce jour, les cellules silicium sont une technologie mature qui a profité de décennies de recherche pour augmenter sa fiabilité. De telles cellules peuvent toutefois maintenant être associées à des cellules pérovskite, pour lesquelles un des défis demeure la stabilité dans le temps des matériaux les constituant. Il est donc nécessaire de pouvoir suivre leur dégradation et connaitre les causes de cette dégradation et leur répartition dans le temps et fréquence.
[0005] Dans le cas de cellules combinant par exemple des jonctions silicium avec des jonctions pérovskite notamment il est plus particulièrement nécessaire de connaître les causes de dégradations des matériaux des jonctions causant une perte de rendement des modules et ainsi prévoir les améliorations nécessaires pour améliorer ces technologies. Il est aussi souhaitable dans le cadre de l’exploitation des modules photovoltaïques de pouvoir effectuer de la détection précoce d’anomalies pour anticiper le remplacement des modules défectueux pendant une période favorable et ainsi éviter des périodes d’indisponibilité. Les performances des modules en conditions réelles que ce soit sur un champ photovoltaïque ou sur un toit sont particulièrement impactées par ces mécanismes de dégradation. Bien que le suivi de la puissance produite par les modules soit effectué pour en vérifier les performances au long de leur vie, ce suivi ne permet pas de comprendre en temps réel quel mécanisme de dégradation est en cause. Ces informations sont aussi précieuses pour les fabricants de modules afin d’avoir une meilleure connaissance de leur technologie et de son évolution dans le temps. [0006] Il n’est donc pas possible de prévoir les améliorations nécessaires ou encore d’effectuer de la détection précoce d’anomalies en anticipant le remplacement de modules défectueux pendant une période favorable du fait que les solutions proposées dans l’état de l’art permettent un suivi de la puissance produite et donc de la dégradation de la puissance mais pas d’identification des causes.
Résumé
[0007] La présente divulgation vient améliorer la situation et permet de rechercher les causes de baisse de rendement des modules et d’améliorer le suivi de la performance et de la dégradation de tels modules photovoltaïques.
[0008] Pour ce faire la présente divulgation concerne un procédé de suivi de point de puissance maximale d’au moins un module photovoltaïque, comportant, selon une périodicité 8t0 , des mesures de point de fonctionnement l/V dudit module et des positionnements dudit point de fonctionnement à son point de puissance maximal MPP, et qui comporte une surveillance de la dégradation dudit module, ladite surveillance comportant :
- selon une périodicité n 8t0 avec ni>1 constant ou variable, des étapes de mesure des paramètres I et V dudit module pour des points décalés en tension V PP+O et VMPP-P sur la courbe l(V) par rapport au point de puissance maximale MPP, un calcul de la pente dl/dV+ au point VMPP+O et de la pente dl/dV- au point VMPP-P et de mémorisation desdites données ainsi que du MPP,
- selon une périodicité n25t0 avec n2 > > des étapes de mesure de valeurs de I et V en balayant la courbe l(V) et de calcul de paramètres (Jsc ; Voc ; FF ; Rs ; Rsh ; I0 ; n) du module et de mémorisation desdits paramètres et valeurs,
- une ou plusieurs étapes de calcul, de tracé et d’affichage de courbes selon couples de données à partir des p paramètres mesurés et calculés,
- une ou plusieurs étapes de détection de dégradation à partir des desdits paramètres mesurés et calculés.
[0009] Selon ce procédé, les paramètres mesurés au cours d’une période de vie du ou des modules surveillés permettent par comparaison à des modèles de dégradation de déterminer le type de dégradation en cours et d’informer les opérateurs du statut de ces modules.
[0010] Au moins certains des paramètres p proviennent d’un calcul de dérivées d[X]/d[Y] avec X=[indicateur de performance et dégradation] et Y=[donnée météorologique du lieu], ledit indicateur de performance et de dégradation comprenant Efficacité, Jsc, Voc, Impp, Vmpp, FF, Rs, Rsh, dl/dV+, dl/dV-, ladite « donnée météorologique » comprenant: humidité, température environnante et du module, vitesse du vent, pression, indice UV, Irradiance au moyen de capteurs météorologiques dédiés communicants et l’affichage desdites dérivées.
[0011] Ce type de calcul permet de prendre en compte les données météorologiques pour affiner la détection des défauts.
[0012] Les valeurs de a et de p sont avantageusement ajustées en fonction du nombre de cellules du ou des module pris en compte par lesdites étapes de mesure.
[0013] Ceci permet de surveiller des modules simples multi-cellules ou des ensembles de modules en série ou en série parallèle reliés à un dispositif de surveillance unique.
[0014] Le procédé peut comporter une modification des valeurs de et/ou de n2 au long de ladite surveillance.
[0015] Notamment, les valeurs de et/ou de n2 sont réduites lors de la détection d’une dégradation et pour lequel en l’absence de détection d’évolution de la dégradation, les valeurs de n1 et/ou de n2 sont augmentées à chaque boucle de l'algorithme.
[0016] Ceci permet d’adapter la périodicité des mesures lorsqu’une dégradation apparaît.
[0017] Le procédé peut comporter une ou plusieurs étapes de sélection desdits données, paramètres et valeurs, pour conserver lesdits données, paramètres et valeurs correspondant à des conditions météorologiques fixées par l’utilisateur.
[0018] Ceci permet de détecter des dégradations dont l’apparition est dépendante des conditions de température par exemple.
[0019] Au moins certains des p paramètres peuvent provenir d’un calcul du ratio de l’intégrale temporelle de la puissance à MPP par le produit de l’efficacité par l’intégrale temporelle de l’irradiance perçue selon des cycles journaliers.
[0020] Ce calcul permet de fournir des paramètres lissés sur une journée.
[0021] Au moins certaines des étapes de calcul, de tracé et d’affichage comprennent un tracé de courbes de la pente dl/dV- fonction de la pente dl/dV+ pour les points mesurés au long desdites étapes de mesure.
[0022] Le procédé peut comporter une étape de recherche de dégradation du module et en cas de dégradation, une étape de recherche d’une cause de dégradation, pour lequel ladite recherche se fait par la comparaison de l’écart d’un jeu de courbes modélisés pour différents modes de dégradation avec une courbe obtenue par les mesures.
[0023] Le procédé peut comporter une étape d’affichage de cause de dégradation. [0024] Le procédé peut comporter la comparaison d’une ou plusieurs courbes de paramètres mesurés avec un indicateur limite de dégradation au-delà duquel une alerte de détection d'anomalies est envoyée à un opérateur.
[0025] La présente divulgation concerne en outre un dispositif de suivi de maximum de point de puissance d’un module photovoltaïque comportant un boîtier muni d’un écran d’affichage et d’un processeur et configuré pour implémenter le procédé divulgué et afficher les courbes obtenues.
[0026] Ledit boîtier s’intercale entre un ou plusieurs modules et un convertisseur courant continu / courant alternatif.
[0027] Ledit boîtier peut comporter un module de communication avec liaison externe vers un calculateur distant d’un système de surveillance configuré pour programmer notamment dans le processeur numérique les types de mesures et la périodicité de ces mesures ou récupérer des données de mesure faites par ledit boîtier et pour transmettre à un opérateur des informations sur le statut des modules et des alertes sur détection d’anomalies.
[0028] La présente divulgation concerne en outre un programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-avant lorsque ce programme est exécuté par un processeur numérique.
[0029] La présente divulgation concerne enfin un support d’enregistrement non transitoire lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme pour la mise en oeuvre du procédé lorsque ce programme est exécuté par un processeur numérique.
Brève description des dessins
[0030] D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
[0031] [Fig. 1] représente une courbe J(V) traditionnelle d’une cellule photovoltaïque ;
[0032] [Fig. 2] représente la courbe de la figure 1 avec points de mesure selon un aspect de la présente divulgation.
[0033] [Fig. 3] montre un logigramme décrivant des étapes de modes de réalisation de la présente divulgation.
[0034] [Fig. 4] représente des courbes théoriques de dégradation selon plusieurs mécanismes de dégradation et une courbe de dégradation mesurée pour un module;
[0035] [Fig. 5] représente un exemple de réalisation d’un boîtier de mise en oeuvre du procédé de la présente divulgation. Description des modes de réalisation
[0036] Le dispositif de suivi de point de puissance maximal avec surveillance de dégradation de la présente divulgation appelé MPPT-DM (pour Maximum Power Point Tracking with Degradation Monitoring en anglais) est conçu pour suivre in situ et en temps réel la dégradation des modules photovoltaïques et d’identifier les mécanismes en cause pour être à même de prévoir les améliorations nécessaires ou encore effectuer de la détection précoce d’anomalies en anticipant le remplacement des modules défectueux pendant une période favorable et ainsi éviter des périodes d’indisponibilité. Ceci s’applique à la fois à l’échelle de la cellule et du module avec des mécanismes associés.
[0037] Actuellement de nouvelles technologies telles que les cellules pérovskites, qui peuvent être couplées ou non à d’autres cellules comme les siliciums sont en plein développement. Reposant sur des matériaux différents de la cellule silicium il est crucial de réaliser du monitoring en conditions réelle de la dégradation et plus précisément d’en comprendre les causes pour pouvoir intervenir ou anticiper les prochaines installations de modules. Un tel monitoring permet finalement de mieux prédire la durée de vie de l’installation et sa production.
[0038] Pendant la vie d’un module son point de puissance maximal évolue en continu. Afin d’optimiser la production, des dispositifs de suivi de point de puissance maximal MPPT sont classiquement utilisés pour chercher en continu le point de fonctionnement optimal du module, permettant de maximiser la production d’énergie.
[0039] Dans le cas d’un fonctionnement normal de l’art antérieur, la courbe 1 de la figure 1 représente la densité de courant J 2, fonction de la tension V 3 d’une cellule. Les dispositifs de suivi recherchent en continu à maintenir la puissance au point de puissance maximal MPP pour les cellules et pour les modules. Il est aussi connu de manière équivalente d’utiliser la courbe courant/tension d’un module pour réaliser la fonction de suivi MPP et dans le cas du suivi d’un module ou de plusieurs modules, selon la présente divulgation la courbe courant/tension l(V) est utilisée pour les calculs.
[0040] Le dispositif de suivi de la présente invention est quant à lui conçu à la fois pour obtenir le MPP et également pour analyser régulièrement l’évolution de divers paramètres électriques associés à la caractéristique courant-tension des modules. Pour cela le module va être piloté de façon spécifique par le biais de son dispositif de suivi afin des récupérer les paramètres en termes de courant-tension nécessaires pour identifier le chemin de dégradation en cours et les mécanismes sous-jacents. Ces paramètres sont mesurés par balayage spécifique de la caractéristique courant-tension à des instants définis de la vie du module et permettent d’en déduire, par comparaison avec des données modélisées de ce même module, les chemins de dégradation ainsi que leurs causes en termes de mécanisme Pour ce faire la présente divulgation propose un algorithme spécifique de contrôle de dispositif de suivi (ou tracker MPP en anglais) pour module photovoltaïque.
[0041] La solution et les différentes étapes sont détaillées ci-dessous :
[0042] De manière traditionnelle, selon des pas de temps St0 réguliers, par exemple toutes les 10 secondes, le dispositif de suivi effectue des mesures autour du MPP afin de le suivre ce point de puissance maximale en continu et de maximiser la puissance produite.
[0043] Toutefois selon la présente divulgation, des mesures sont effectuées autour du MPP par le dispositif de suivi qui va écarter le point de fonctionnement du point de puissance maximale. Ces mesures peuvent être réalisées à des intervalles St = n^Sto, n pouvant être choisi par exemple entre 100 et 10000 ou plus ou même être variable en fonction de l’âge du module, par exemple décroissant avec l’âge du module. Ces mesures simples permettent d’identifier une estimation des pentes de la courbe courant/tension autour du MPP. La figure 2 montre ces mesures autour du MPP 4 pour une courbe densité de courant/tension J(V) 1 toujours dans le cas d’une cellule seule pour rester homogène avec la figure 1 . Dans cet exemple, outre la mesure du MPP, une première mesure est faite en décalant le point de fonctionnement de la cellule à une tension VMPP-O, par exemple VMPP - 50 mV au point 5 et à VMPP+P par exemple VMPP + 50 mV au point 6 ce qui donne respectivement la pente tangente 7 dJ/dV- pour le point à VMPP - 50 mV et la pente tangente 8 dJ/dV-i- pour le point à V PP + 50 mV. Cet intervalle autour du point de puissance maximale peut être ajusté pour une installation photovoltaïque donnée, en fonction de la technologie des modules. Par exemple des points à VMPP - 100 mV et à VMPP + 50 mV ou des points à VMPP - 100 mV et à VMPP + 100 mV peuvent être choisis. Là encore, dans le cas d’un ou plusieurs modules selon la présente divulgation, les mesures se font sur la courbe l(V), avec V, tension module et I courant module, courbe homothétique de la courbe J(V) pour laquelle V est la tension cellule et J la densité de courant de la cellule. Dans ce cas, VMPP, a et p seront adaptés au nombre de cellules mises en série.
[0044] Par la suite, à un pas de temps ôt2 = n2ôt0 » 6^, choisi de façon à impacter faiblement la production électrique, par exemple tel que les mesures se fassent une fois par jour ou moins, un plus grand nombre de points de la courbe courant-tension sont acquis sur la courbe l(V), avec éventuellement des points répartis sur toute la plage de tension [0 ;Voc], afin de générer suffisamment d’information pour permettre l’obtention des paramètres Jsc : Densité de courant de court-circuit (ou courant de court-circuit pour plusieurs cellules), Voc : tension circuit ouvert, FF : facteur de forme décrivant la forme de la courbe. Puis par comparaison à un modèle par exemple un modèle de diode les paramètres Rs résistance série, Rsh résistance parallèle du module, 10 courant de saturation diode et N facteur d’idéalité sont obtenus.
[0045] Le nombre de points mesurés sur la plage de tension [0 ;Voc] est évalué de façon spécifique pour permettre d’avoir suffisamment d’information pour alimenter le modèle tout en minimisant le temps d’acquisition et l’impact sur la production.
[0046] Ainsi un ensemble de données E1= [MPP ; dl/dV+ ou dJ/dV+; dl/dV- ou dJ/dV-] sont obtenus à intervalle de temps régulier et un autre ensemble de données E2 = [Js ; Voc ; FF ; Rs ; Rsh ; I0 ; N] sont obtenus à intervalle de temps régulier ôt2.
[0047] Les données collectées peuvent être éventuellement soumises à un pré-traitement, pour sélectionner celles ayant été mesurées sous des conditions météorologiques fixées par l’utilisateur (température, irradiance, etc.). Par exemple seules les mesures effectuées dans des conditions proches des données standard STC (1000 W.m-2, 25°C) peuvent être extraites.
[0048] De manière alternative, une étape de normalisation des données collectés sous des conditions météorologiques différentes peut être mise en oeuvre pour tout de même utiliser ces données. Cette deuxième méthode, pour laquelle aucune sélection préalable de données n’est nécessaire consiste à calculer pour chaque cycle journalier le ratio de l’intégrale temporelle de la puissance à MPP par le produit de l’efficacité par l’intégrale temporelle de l’irradiance perçue.
[0049] Finalement, les données acquises peuvent être comparées à des résultats de simulation, lesquelles permettent, connaissant les caractéristiques du module (réponse spectrale, comportement électrique, optique et thermique), et à l’aide de modèles physiques dits de dérives-diffusion, de déterminer le comportement dans le cas de la présence de différents mécanismes de dégradation. Une optimisation plus fine de cette analyse peut être effectuée en jouant par exemple sur a, p, ou ôt2 . La procédure précédemment développée est résumée en figure 3.
[0050] A l’étape 180 une initialisation des valeurs t=0 ni=k1 , n2=k2, a=a0, p=po est réalisée
[0051] Aux étapes 100 et 110 les mesures traditionnelles de point de fonctionnement et de positionnement au MPP sont réalisées.
[0052] A l’étape 120 un test est réalisé pour vérifier si l’instant St = n ■ St0 est atteint.
[0053] Si ce n’est pas le cas un retour à une attente d’incrément de temps T + T + St0 90 est réalisé.
[0054] Si l’instant St^ = n^Sto est atteint une mesure 130 des paramètres I et V et dl/dV est réalisée pour des points décalés à VMPP-O et VMPP+P sur la courbe l(V) au-dessus et au-dessous du point MPP et les données MPP ; dl/dV+ ; dl/dV- sont mémorisées à l’étape 140. [0055] A l’étape 150 un test est effectué pour déterminer si l’instant ôt2 = n2ôt0 est atteint. [0056] Si ce n’est pas le cas, un retour à une attente d’incrément de temps 90 est réalisé.
[0057] Si c’est le cas, une mesure complète des valeurs de I et V sur toute la courbe l(V) de même que le calcul des paramètres Jsc ; Voc ; FF ; Rs ; Rsh ; I0 ; N sont réalisés à l’étape 160 puis les mesures sont mémorisées. En complément les paramètres suivants peuvent également être mesurés puis utilisés pour l’analyse de la dégradation (sous forme de dérivées) : d[indicateur de performance et dégradation]/ ^[donnée météorologique du lieu]. Avec par exemple pour « indicateur de performance et dégradation » les données suivantes : Efficacité, Jsc, Voc, Impp, Vmpp, FF, Rs, Rsh, dl/dV+, dl/dV-, et pour « donnée météorologique » les données suivantes via l’utilisation au sein du système de capteurs météorologiques dédiés: humidité, température environnante et du module, vitesse du vent, pression, indice UV, Irradiance.
[0058] Le processus se répète en remettant à zéro le compteur de temps et en fixant les valeurs de et de n2.
[0059] A l’étape 225 par exemple, les valeurs de et/ou de n2 peuvent être modifiées au long de ladite surveillance pour tenir compte d’une dégradation éventuelle du panneau à surveiller. Ces valeurs peuvent notamment être réduites lors de la détection d’une dégradation ou augmentées en l’absence de détection d’évolution de la dégradation. Les valeurs de et/ou de n2 peuvent notamment être évolutives à chaque boucle de l'algorithme.
[0060] En parallèle, les valeurs de données sont sélectionnées à l’étape 190, par exemple pour conserver les mesures correspondant à des conditions météorologiques fixées puis des courbes de données, (jusqu’à Pour P paramètres mesurés) sont tracées avec superposition des données mesurées et calculées pour comparer les caractéristiques du module en temps réel avec les comportements théoriques dans le cas de la présence de différents mécanismes de dégradation.
[0061] Dans le cas où une dégradation est détectée au test 230, un processus d’analyse desdites courbes pour rechercher une cause de dégradation est réalisé à l’étape 210 et son résultat est affiché à l’étape 220.
[0062] Le test 230 peut être une comparaison des courbes calculées avec des courbes théoriques de types de dégradations.
[0063] Un exemple illustratif de détermination du chemin de dégradation pour un module pérovskite (mono jonctions) est représenté en figure 4. Dans cet exemple, est tracée la courbe dl/dV- (la pente en Vmpp-a), par rapport à dl/dV+ (la pente en Vmpp+^). Les points de mesures 11 effectués selon des intervalles donnés au long de l’utilisation du panneau sont superposés à des courbes de dégradations possibles selon diverses causes de dégradation Me1 , dégradation de la couche extractrice de trous, (« HTL degradation » en anglais), Me2, dégradation de l’interface entre couche extractrice de trous et pérovskite (« PVK/HTL interface defects » en anglais), Me3, dégradation de la couche pérovskite (« PVK defects » en anglais), Me4, dégradation de l’interface entre couche extractrice d’électrons et pérovskite (« PVK/ETL interface defects » en anglais), Me5 dégradation de la couche extractrice d’électrons (« ETL degradation » en anglais).
[0064] Cette détermination reste généralisable à tout type de module.
[0065] Des courbes similaires représentant d’autres paramètres les uns en fonction des autres obtenus via les ensembles de données mesurées et calculées peuvent être tracées et exploitées (jusqu’à Pour P paramètres mesurés). La comparaison de l’écart du jeu de courbes modélisées pour différents modes de dégradation avec le jeu de courbes obtenues par les mesures permet ensuite d’en déduire les mécanismes en jeu.
[0066] Une fois les modes de dégradation déterminés, le procédé peut comporter la comparaison 240 d’un ou plusieurs mécanismes de dégradation D avec un indicateur limite de dégradation DLIM au-delà duquel une alerte 250 de détection précoce d'anomalies est envoyée à un opérateur.
[0067] Les données collectées peuvent être analysées selon des plages temporelles distinctes et/ou choisies, l’analyse peut alors permettre de déterminer le mécanisme responsable de la dégradation pendant ces périodes. On peut par exemple imaginer qu’un mécanisme dégradant les performances en hiver ne soit pas activé par les conditions météorologiques en été, et qu’un autre mécanisme soit alors décisif. L’analyse sera donc différentiée pour ces périodes.
[0068] Les données collectés et analyses faites peuvent être appliquées à l’ensemble de l’installation photovoltaïque, ou une distinction peut être faite entre les chaines connectées aux différentes entrées du ou des dispositifs de suivi.
[0069] Il est possible de considérer certains ensembles de paramètres tel que E1 , E2, E3=[Jsc, Voc, FF] ou encore E1+E3, seuls ou cumulés.
[0070] Le système de suivi dit « tracker MPPT-DM » de la présente divulgation qui permet le suivi des mécanismes de dégradation est présenté sur la Figure 5 sous la forme d’un boîtier 12. Dans cet exemple deux panneaux 15 sont reliés chacun à un boîter 12 de la présente divulgation, les deux boîtiers étant reliés à un convertisseur courant continu / courant alternatif 16 relié à un réseau 21 .
[0071] Le boîtier 12 qui remplace un boîtier de suivi MPP traditionnel comporte des entrées de puissance 23 de liaison au panneau et de sorties de puissance 22 vers le convertisseur et comporte une carte électronique 17 pourvue d’un processeur numérique 18, tel qu’un microcontrôleur pourvu d’entrées/sorties numériques et analogiques par exemple, de sa mémoire associée 19, pourvue en outre d’un afficheur 13 permettant de consulter les résultats, éventuellement un clavier 14 et/ou un module de communication 20 avec liaison externe 25 vers un calculateur distant 24 configuré par exemple pour programmer notamment dans le processeur numérique 18 les types de mesures et la périodicité de ces mesures ou récupérer des données de mesure faites par ledit boîtier et pour transmettre à un opérateur des informations sur le statut des modules et des alertes sur détection d’anomalies.
[0072] Le processeur numérique 18 et sa mémoire sont configurés pour implémenter le procédé de suivi du maximum de puissance du ou des modules et les étapes du procédé de la présente divulgation. Ce système est adaptable à tout type de module photovoltaïque.
[0073] Le boîtier s’intercale selon l’exemple entre des modules photovoltaïques tels que des panneaux photovoltaïques et un convertisseur tension continue / tension alternative (DC/AC) lui-même connecté à un réseau alternatif. En variante le dispositif de suivi peut être intégré au boitier onduleur et être inclus dans une offre « onduleur photovoltaïque ».
[0074] Le dispositif de suivi pourra en outre être utilisé avec ou sans la fonction d’analyse de dégradation.
[0075] La présente divulgation peut s’appliquer à différents types de modules indépendamment de leur technologie, les technologies silicium et pérovskite étant citées à titre d’exemple non limitatif et peut concerner un champ photovoltaïque comportant plus de deux panneaux et notamment peut comporter plusieurs rangées de panneaux raccordées chacune à un dispositif MPPT-DM tel que décrit.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de suivi de point de puissance maximale d’au moins un module photovoltaïque, comportant, selon une périodicité <5t0 <des mesures (120) de point de fonctionnement l/V dudit module et des positionnements dudit point de fonctionnement à son point de puissance maximal MPP, caractérisé en ce qu’il comporte une surveillance de la dégradation dudit module, ladite surveillance comportant :
- selon une périodicité n^Sto avec ni>1 constant ou variable, des étapes (130, 140) de mesure des paramètres I et V dudit module pour des points décalés en tension VMPP+O et VMPP- sur la courbe l(V) par rapport au point de puissance maximale MPP, un calcul de la pente dl/dV+ au point VMPP+O et de la pente dl/dV- au point V PP-P et de mémorisation desdites données ainsi que du MPP,
- selon une périodicité n2St0 avec n2 > des étapes (160, 170) de mesure de valeurs de I et V en balayant la courbe l(V) et de calcul de paramètres (Jsc ; Voc ; FF ; Rs ; Rsh ; I0 ; N) dudit module et de mémorisation desdits paramètres et valeurs,
- une ou plusieurs étapes (200) de calcul, de tracé et d’affichage de courbes de couples de données à partir des p paramètres mesurés et calculés,
- une ou plusieurs étapes de détection de dégradation à partir des desdits paramètres mesurés et calculés.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 pour lequel au moins certains des paramètres p proviennent d’un calcul de dérivées d[X]/d[Y]) avec X=[indicateur de performance et dégradation] et Y=[donnée météorologique du lieu], ledit indicateur de performance et de dégradation comprenant : Efficacité, Jsc, Voc, Impp, Vmpp, FF, Rs, Rsh, dl/dV+, dl/dV-, ladite « donnée météorologique » comprenant: humidité, température environnante et du module, vitesse du vent, pression, indice UV, Irradiance au moyen de capteurs météorologiques dédiés communicants et l’affichage desdites dérivées.
[Revendication 3] Procédé selon la revendication 1 ou 2 pour lequel les valeurs de a et de p sont ajustées en fonction du nombre de cellules dudit module prises en compte par lesdites étapes de mesure.
[Revendication 4] Procédé selon la revendication 1 , 2 ou 3 comportant une modification (225) des valeurs de et/ou de n2 au long de ladite surveillance.
[Revendication 5] Procédé selon la revendication 4 pour lequel les valeurs de et/ou de n2 sont réduites lors de la détection d’une dégradation et pour lequel en l’absence de détection d’évolution de la dégradation, les valeurs de ni et/ou de n2 sont augmentées à chaque boucle de l'algorithme.
[Revendication 6] Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes comportant une ou plusieurs étapes (190) de sélection desdits données, paramètres et valeurs, pour conserver lesdits données, paramètres et valeurs correspondant à des conditions météorologiques fixées par l’utilisateur.
[Revendication 7] Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes pour lequel au moins certains des p paramètres proviennent d’un calcul du ratio de l’intégrale temporelle de la puissance à MPP par le produit de l’efficacité par l’intégrale temporelle de l’irradiance perçue selon des cycles journaliers.
[Revendication 8] Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes pour lequel au moins certaines des étapes (200) de calcul, de tracé et d’affichage comprennent un tracé de courbes de la pente dl/dV- fonction de la pente dl/dV+ pour les points mesurés au long desdites étapes de mesure.
[Revendication 9] Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes comportant une étape (230) de recherche de dégradation du module et en cas de dégradation, une étape (210) de recherche d’une cause de dégradation, pour lequel ladite recherche se fait par la comparaison de l’écart d’un jeu de courbes modélisées (Me1 , Me2, Me3, Me4, Me5) pour différents modes de dégradation avec une courbe obtenue par les mesures.
[Revendication 10] Procédé selon la revendication 9 comportant une étape d’affichage de cause de dégradation.
[Revendication 11] Procédé selon la revendication 9 ou 10 comportant la comparaison (240) d’une ou plusieurs courbes de paramètres mesurés avec un indicateur limite de dégradation au-delà duquel une alerte (250) de détection d'anomalies est envoyée à un opérateur.
[Revendication 12] Dispositif de suivi de maximum de point de puissance d’un module photovoltaïque comportant un boîtier 12 muni d’un écran d’affichage 13, d’un processeur et configuré pour implémenter le procédé de l’une quelconque des revendications 1 à 11 et afficher les courbes obtenues.
[Revendication 13] Dispositif selon la revendication 12 pour lequel ledit boîtier s’intercale entre un ou plusieurs modules et un convertisseur courant continu / courant alternatif.
[Revendication 14] Dispositif selon la revendication 12 ou 13 pour lequel ledit boîtier comporte un module de communication (20) avec liaison externe (25) vers un calculateur distant (24) d’un système de surveillance configuré pour programmer notamment dans le processeur numérique (18) les types de mesures et la périodicité de ces mesures ou récupérer des données de mesure faites par ledit boîtier et pour transmettre à un opérateur des informations sur le statut des modules et des alertes sur détection d’anomalies.
[Revendication 15] Programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 11 lorsque ce programme est exécuté par un processeur numérique.
[Revendication 16] Support d’enregistrement non transitoire lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme pour la mise en oeuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 11 lorsque ce programme est exécuté par un processeur numérique.
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