FR3125184A1 - Procede de controle de dispositif de suivi pour la maximisation du courant produit par un module solaire photovoltaïque bifacial a cellules multi-jonctions - Google Patents

Procede de controle de dispositif de suivi pour la maximisation du courant produit par un module solaire photovoltaïque bifacial a cellules multi-jonctions Download PDF

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Abstract

Procédé de maximisation de courant produit par un module solaire photovoltaïque bifacial comportant une pluralité de cellules chacune pourvue d’au moins deux jonctions empilées et connectées en série, le module étant orientable et comportant un dispositif de pilotage de l'orientation par rapport au soleil dudit module, le procédé comporte un algorithme comprenant une mesure (100) d’irradiance en face supérieure Ai sur une face supérieure photo active dudit module et une mesure d’irradiance réflective Ar sur une face inférieure photo active dudit module dans une orientation initiale du module, une mesure (105) du courant initial I produit par le module en réponse aux irradiances en face supérieure Ai et en face inférieure Ar et un calcul des courants générés Ijg par lesdites jonctions empilées en fonction des caractéristiques physiques (20) des cellules et dudit courant initial, un calcul (110) d’une orientation théorique optimisée pour laquelle, connaissant les irradiances mesurées Ai, Ar et des caractéristiques physiques (20) des cellules, une égalisation et une maximisation des courants théoriques Ijtmax des jonctions des cellules est obtenue et un positionnement du module dans ladite orientation théorique dans le cas où un déséquilibre entre lesdits courants théoriques Ijtmax et lesdits courants générés Ijg est supérieur à une valeur seuil dIjmax. Module adapté à ce procédé. Figure 4

Description

PROCEDE DE CONTROLE DE DISPOSITIF DE SUIVI POUR LA MAXIMISATION DU COURANT PRODUIT PAR UN MODULE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE BIFACIAL A CELLULES MULTI-JONCTIONS
L’invention relève du domaine des énergies renouvelables photovoltaïques. L’invention concerne un procédé, un panneau photovoltaïque et un dispositif de suivi solaire (tracker en anglais) adapté à maximiser le courant produit par un ou plusieurs modules photovoltaïques multi-jonctions bifaciaux dans un dispositif de production d’énergie à panneaux photovoltaïques.
Les modules photovoltaïques bifaciaux à jonctions de type tandem reposent sur le couplage de deux jonctions photovoltaïques superposées associées en série. Dans un tel cas, pour avoir un fonctionnement optimal, les deux jonctions doivent produire la même quantité de courant. Lorsque la jonction inférieure est bifaciale, celle-ci produit du courant en fonction de deux contributions, la lumière reçue en face avant du module et traversant la jonction du dessus sans être convertie par cette dernière et la lumière reçue en face arrière du module. Le rapport des contributions de la lumière en face avant et arrière dépend de l’orientation du module.
Les cellules tandem sont un cas particulier de cellules multi-jonctions à deux jonctions et il est aussi possible de réaliser des modules bifaciaux au moyen de cellules multi-jonctions à plus de deux jonctions qui vont recevoir de la lumière sur la face supérieure du module et de la lumière sur la face inférieure.
Les cellules multi-jonctions comportent des jonctions empilées réalisées dans différents matériaux semiconducteurs de bandes interdites décroissantes à partir d’une face supérieure d’un module pour convertir des parties de lumière de longueur d’onde croissante dans leurs couches successives, la couche inférieure convertissant en outre toute la lumière arrivant sous le module. Dans une cellule multi-jonction chaque jonction produit du courant à partir d’une partie du spectre différent. Les jonctions absorbant les grandes longueurs d’ondes absorbent aussi les longueurs d’ondes plus courtes mais le contraire n’est pas vrai aussi les jonctions sont empilées pour absorber les longueurs d’ondes croissantes à partir du haut de l’empilage sous une face supérieure d’un module, la jonction inférieure pouvant recevoir de la lumière par le dessous et recevant les plus hautes longueurs d’ondes ayant traversé l’empilage par le dessus.
Dans ces différents modes de réalisation, les jonctions sont raccordées en série ce qui fait que le courant produit par la cellule sera limité par la jonction fournissant le moins de courant.
Il est connu de réaliser des dispositifs de suivi solaire pour lesquels un ou plusieurs panneaux photovoltaïques comportant chacun un ou plusieurs modules regroupant une pluralité de cellules disposées en ligne / colonne sur le module, sont installés sur un système mécanique permettant de modifier en temps réel leur orientation et de suivre le soleil.
Problème technique
Ces solutions connues permettent de maximiser le courant produit par des modules convertissant la lumière reçue en face supérieure du module mais ne permettent pas de maximiser le courant produit d’une centrale solaire utilisant des modules photovoltaïques bifaciaux multi-jonctions. En effet, ces solutions n’optimisent pas l’éclairement de la face inférieure du module car, comme vu plus haut dans le cas de jonctions ou d’éléments de cellules superposés et raccordés en série, le courant produit par l’assemblage est limité par l’élément recevant le moins de lumière, le rendement du module est alors limité par le déficit d’éclairement de la face inférieure du module.
En effet, contrairement aux modules photovoltaïques à cellules mono faciales qui doivent être préférablement orientées face au soleil conduisant les dispositifs de suivi à suivre uniquement la course du soleil, l’orientation optimale permettant de maximiser la production d’énergie d’un module photovoltaïque bifacial tandem ou multi-jonctions doit équilibrer la production de courant dans les jonctions du ou des empilements. Cette orientation optimale dépend des puissances perçues en face avant et arrière, qui à leur tour varient en fonction de nombreux paramètres : position du soleil, clarté du ciel, albédo, environnement. De plus, la composition spectrale de ces contributions joue un grand rôle sur l’équilibre de courant entre différentes jonctions d’un même empilement. La hauteur du soleil dans le ciel fait varier chaque jour la proportion entre lumière disponible pour la jonction supérieure et lumière disponible pour la jonction inférieure ce qui conduit à ce que l’orientation optimale des modules varie en continu de manière différente que pour les modules à cellules mono faciales ou cellules mono jonction bifaciales.
Pour un module bifacial multi-jonction, non seulement les puissances perçues en face avant et arrière, mais aussi les rendements respectifs des jonctions empilées et leur contribution, influent cette orientation optimale.
Au vu de l’art antérieur la présente demande propose d’optimiser l’orientation des modules pour équilibrer les contributions des éléments de cellules recevant la lumière en face avant et ceux recevant la lumière en face inférieure.
Plus précisément la présente divulgation propose un procédé de maximisation de courant produit par un panneau photovoltaïque comportant un ou plusieurs modules solaires photovoltaïques bifaciaux, lesdits modules comportant une pluralité de cellules photovoltaïques chacune pourvue d’au moins deux jonctions empilées et connectées en série, ledit panneau étant orientable et comportant un dispositif de pilotage de son orientation par rapport au soleil, le procédé comportant:
  1. une mesure d’irradiance en face avant Ai sur une face supérieure photo active dudit panneau et une mesure d’irradiance en face arrière Ar sur une face inférieure photo active dudit panneau dans une orientation initiale du panneau,
  2. une mesure du courant initial I produit par le panneau en réponse aux irradiances face avant Ai et face arrière Ar et un calcul des courants générés Ijg par lesdites jonctions empilées en fonction des caractéristiques physiques des cellules, dudit courant initial et des irradiances en face avant et en face arrière,
  3. un calcul d’une orientation théorique optimisée pour laquelle, connaissant lesdites irradiances Ai, Ar mesurées, les courants générés et les caractéristiques physiques des cellules, une égalisation des courants théoriques Ijtmax des jonctions des cellules et leur maximisation est obtenue,
  4. un positionnement du panneau dans ladite orientation théorique dans le cas où un déséquilibre entre lesdits courants théoriques Ijtmax et lesdits courants générés Ijg est supérieur à une valeur seuil dIjmax ou un maintien de la position dudit panneau en cas de différence de courant entre lesdits courants théoriques et lesdits courants générés inférieure à ladite valeur seuil.
Le procédé permet d’ajuster les différences d’irradiance entre la face supérieure et la face inférieure du panneau pour égaliser et maximiser le courant produit par les jonctions et donc les cellules. Il y a lieu de noter que le procédé n’a pas pour objectif d’égaler les irradiances perçues sur les deux faces du panneau mais bien d’ajuster les irradiances pour égaler et maximiser lesdits courants ce qui n’est pas nécessairement obtenu en égalant les irradiances perçues.
Lorsque le déséquilibre entre lesdits courants théoriques Ijtmax et lesdits courants générés Ijg est inférieur à ladite valeur seuil dIjmax, le procédé peut comporter un balayage de positions du panneau autour de la position théorique obtenue, une mesure du courant produit par le panneau dans chacune desdites positions et une étape de placement du panneau dans la position maximisant le courant produit par le panneau.
Ainsi l’optimisation tient compte des caractéristiques réelles de cellules et permet d’affiner la prédiction d’orientation du panneau issue du calcul.
La mesure d’irradiance en face supérieure étant réalisée par un ou plusieurs capteurs supérieurs disposés au niveau de ladite face supérieure du panneau et un ou plusieurs capteurs inférieurs disposés au niveau de ladite face inférieure du panneau, le procédé peut comporter des étapes préalables à une mise en service du panneau comportant une étape de choix du nombre de capteurs supérieurs et inférieurs et une étape de positionnement du ou des capteurs supérieurs et inférieurs en fonction de conditions d’ombrage et d’uniformité de lumière perçue au-dessus et au-dessous du panneau selon plusieurs inclinaisons du panneau, en sorte de générer des données d’irradiance adaptées au calcul de ladite orientation théorique.
Ainsi une optimisation du nombre et de la position des capteurs est réalisée.
Les étapes préalables peuvent comporter un positionnement des capteurs aux endroits subissant les variations d’irradiance les plus importantes hors ombrage en fonction de l’orientation du panneau. Le positionnement permettant de trouver un compromis entre minimisation de l’ombrage et obtention de l’information requise pour le calcul détaillé précédemment.
Ceci maximise la plage de fonctionnement du procédé.
La présente divulgation concerne en outre un panneau photovoltaïque configuré pour la mise en œuvre du procédé décrit ci-dessus, comportant un ou plusieurs modules dont les cellules sont des cellules bifaciales multi-jonctions dont les jonctions sont reliées en série.
Selon un mode de réalisation particulier, les cellules du ou des modules sont raccordées entre elles selon un réseau série/parallèle.
La présente divulgation concerne en outre un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre de tout ou partie du procédé décrit ci-dessus lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
La présente divulgation concerne de même un support d’enregistrement non transitoire, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré ledit programme.
La présente divulgation concerne enfin un dispositif de production d’énergie, comportant un ou plusieurs panneaux photovoltaïques associés à un ou plusieurs bâtis munis de systèmes de suivi solaire, au moins certains des panneaux comportant un ou plusieurs capteurs d’irradiance en face avant et en face arrière d’au moins certains des panneaux, le dispositif comportant en outre un calculateur de suivi relié auxdits capteurs, ledit calculateur étant configuré pour exécuter ledit programme et piloter la position de ladite pluralité de panneaux en sorte d’équilibrer et maximiser les courants des jonctions des cellules issus de l’irradiance en face supérieure Ai et de l’irradiance en face inférieure Ar reçue par lesdits panneaux.
Les capteurs peuvent être associés par paires de capteurs en face avant et en face arrière des panneaux sur un ou plusieurs des panneaux et sont disposés selon des positions médianes au sein des panneaux ou des positions périphériques sur lesdits panneaux ou autour desdits panneaux.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non limitatifs, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
, montrent des exemples de cellule à plusieurs jonctions ;
montre un détail d’un exemple de champ solaire;
schématise un module adapté au procédé de la présente divulgation et dont la juxtaposition avec d’autres modules forme un panneau;
schématise une variante de la ;
montre un exemple de logigramme selon un mode de réalisation de la présente divulgation;
représente des étapes préalables de positionnement de capteurs.
, , et montrent des exemples de positionnement de capteurs sur des panneaux à un ou plusieurs modules selon des modes de réalisation;
, et représentent des solutions alternatives de positionnement de capteurs sur des panneaux.

Claims (10)

  1. Procédé de maximisation de courant produit par un panneau photovoltaïque (10a, 10b) comportant un ou plusieurs modules photovoltaïques bifaciaux (31, 32) lesdits modules comportant une pluralité de cellules (1) chacune pourvue d’au moins deux jonctions empilées et connectées en série, le panneau étant orientable et comportant un dispositif de pilotage de son orientation par rapport au soleil, caractérisé en ce que le procédé comporte:
    1. une mesure (100) d’irradiance en face avant Ai sur une face supérieure photo active dudit panneau et une mesure d’irradiance en face arrière Ar sur une face inférieure photo active dudit panneau dans une orientation initiale dudit panneau,
    2. une mesure (105) du courant initial I produit par le panneau en réponse aux irradiances en face avant Ai et en face arrière Ar et un calcul des courants générés Ijg par lesdites jonctions empilées en fonction des caractéristiques physiques (20) des cellules, dudit courant initial et des irradiances en face avant et en face arrière,
    3. un calcul (110) d’une orientation théorique optimisée pour laquelle, connaissant lesdites irradiances Ai, Ar mesurées, les courants générés et les caractéristiques physiques (20) des cellules, une égalisation des courants théoriques Ijtmax des jonctions des cellules et leur maximisation est obtenue,
    4. un positionnement du panneau dans ladite orientation théorique dans le cas où un déséquilibre entre lesdits courants théoriques Ijtmax et lesdits courants générés Ijg est supérieur à une valeur seuil dIjmax ou un maintien de la position dudit panneau en cas de différence de courant entre lesdits courants théoriques et lesdits courants générés inférieure à ladite valeur seuil.
  2. Procédé selon la revendication 1 comportant, lorsque le déséquilibre entre lesdits courants théoriques Ijtmax et lesdits courants générés Ijg est inférieur à ladite valeur seuil dIjmax, un balayage (140) de positions du panneau autour de la position théorique obtenue, une mesure (150) du courant produit par le panneau dans chacune desdites positions et une étape (160) de placement du panneau dans la position maximisant le courant produit par le panneau.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 pour lequel, la mesure d’irradiance en face supérieure étant réalisée par un ou plusieurs capteurs supérieurs (13, 13’) du côté de ladite face supérieure du panneau et un ou plusieurs capteurs inférieurs (12, 12’) du côté de ladite face inférieure du panneau, ledit procédé comporte, des étapes préalables à une mise en service du panneau comportant une étape de choix du nombre de capteurs supérieurs et inférieurs (220) et une étape (230) de positionnement du ou des capteurs supérieurs (13) et inférieurs (12) en fonction de conditions d’ombrage et d’uniformité de lumière perçue au-dessus et au-dessous du panneau selon plusieurs inclinaisons du panneau (200, 210), en sorte de générer des données d’irradiance adaptées au calcul de ladite orientation théorique.
  4. Procédé selon la revendication 3 pour lequel lesdites étapes préalables comportent un positionnement des capteurs aux endroits du panneau subissant les variations d’irradiance les plus importantes (215) hors ombrage en fonction de l’orientation du panneau.
  5. Panneau photovoltaïque, configuré pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comporte un ou plusieurs modules photovoltaïques dont les cellules (1) sont des cellules bifaciales multi-jonctions dont les jonctions sont reliées en série (7, 7a, 7b).
  6. Panneau selon la revendication 5 pour lequel les cellules des modules sont raccordées entre elles selon un réseau série/parallèle (16, 17).
  7. Programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre de tout ou partie d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
  8. Support d’enregistrement non transitoire, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré le programme de la revendication 7.
  9. Dispositif de production d’énergie, comportant une pluralité de panneaux photovoltaïques selon la revendication 5 ou 6 associés à un ou plusieurs bâtis munis de systèmes de suivi solaire, au moins certains des panneaux comportant un ou plusieurs capteurs d’irradiance en face avant et en face arrière, le dispositif comportant en outre un calculateur (15) de suivi relié auxdits capteurs, ledit calculateur étant configuré pour exécuter le programme de la revendication 7 et piloter la position de la pluralité de panneaux photovoltaïques en sorte d’équilibrer et maximiser les courants des jonctions des cellules issus de l’irradiance en face supérieure Ai et de l’irradiance en face inférieure Ar reçue par lesdits panneaux.
  10. Dispositif de production d’énergie selon la revendication 9, dans lequel lesdits capteurs sont associés par paires (1213, 1213’) de capteurs en face avant et en face arrière sur un ou plusieurs desdits panneaux et sont disposés selon des positions médianes (1213) sur lesdits panneau ou des positions périphériques (1213’, 12’, 13’) sur lesdits panneaux ou autour desdits panneaux.
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