Note technique 1 :

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Vulnérabilité des Modules Photovoltaïques

&  pannes dans les Centrales Solaires Photovoltaïques

   Les pannes opérationnelles dans les centrales PV (photovoltaïques) ont toujours été l’un des facteurs critiques affectant l’efficacité de la production d’électricité et la durée de vie d’une installation PV. La fiabilité et la durabilité des panneaux PV (ou module PV) en termes de performances peuvent varier en fonction des matériaux, de la fabrication, de la conception, du transport et de l'installation. Les niveaux de production d'énergie peuvent varier à leur tour en fonction des niveaux d'irradiation solaire, de la température, de la réponse spectrale des panneaux, des conditions d'éclairage y compris l'angle d'incidence, de la dégradation induite par la lumière, de conditions extrêmes de temps, du climat et des salissures.

 Néanmoins aujourd’hui dans l’industrie solaire, la « conception traditionnelle » veut que les panneaux soient câblés en série dans ce que l’on appelle une « String Series » ou « chaîne PV en série», en particulier pour ceux qui constituent les centrales d'énergie PV de grande envergure. Plusieurs chaînes peuvent à leur tour être connectées en série via un Boîtier de Combinaison (Conbiner Box) et plusieurs Boîtiers de Combinaison connectés à nouveau en série à un ou plusieurs Onduleurs Centraux (Central Inverters). Dans ce cas lorsque une ou plusieurs altérations de panneaux se produisent, tous les panneaux constituant la chaîne PV concernée se mettent à produire au niveau du plus petit dénominateur commun, c'est-à-dire celui du panneau ayant la production d'énergie la plus basse. Étant donné que ces défaillances ne sont pas détectées pendant de longues périodes, elles ne se révèlent souvent qu’à la suite de ce que l’on appelle des «pannes catastrophiques», c’est-à-dire lorsque la production au niveau d’un onduleur est très faible voir arrêtée. Une méthode de détection précoce des défaillances permettrait de repérer et/ou prévoir les performances anormalement faibles, éventuellement de nombreuses années en amont du problème. Dans les cas les plus graves, ces défaillances peuvent entraîner un incendie et l'arrêt de toute une centrale solaire composée de plusieurs dizaines ou centaines de milliers de panneaux solaires.

 

 

 Dans les centrales PV de grande envergure, la «sagesse traditionnelle » affirme que les économies d'échelle autorisent des pertes globales qui ne sont pas détectées ou qui n'affectent que légèrement la performance du système, ne concernant que quelques panneaux solaires parmi des centaines, parfois des milliers, pour des centaines de chaînes PV. Une chaîne PV peut être constituée de 4 à 72 panneaux, parfois plus, mais le plus communément elle se compose de 12, 20, 24 ou 36 panneaux. Ces chaînes peuvent être combinées à leur tour, entre elles, via une boîte de jonction, de telle sorte qu’il n'est pas rare que plusieurs centaines de panneaux soient connectés en série - et ceci avec à l’intérieur de chacun 60, 72 ou 90 cellules solaires connectées elles aussi en série. Même avec l'amélioration des niveaux de performance des panneaux solaires, cela constitue sur deux ou trois décennies un potentiel considérable d'occurrence de fautes, défaillances, altérations, et pannes.


 Localiser avec précision les panneaux défaillants ou imminemment défaillants dans la masse des panneaux solaires sains d’une centrale PV est un défi technique majeur. La difficulté est rendue plus grande encore lorsque plusieurs défaillances sont concomitantes dans une même chaîne ou une même centrale PV. Comme la taille de ces dernières ne cesse d'augmenter, la probabilité de coexistence d’un nombre important de panneaux sous-performants tendra à être systématique à chaque instant. Cette abondance de défauts défie actuellement toutes les méthodes de détection et de localisation dans les centrales PV de grande échelle.

 

 Le scénario contraire est l'impact négatif majeur causé par la perte de performance optimale liée à un ou deux panneaux défaillant sur un petit toit domestique de dix panneaux, par exemple. Ceci peut entraîner une sous-performance de l'ordre de 10% ou 20% par rapport aux capacités prévues du système si les panneaux sont reliés en série. C’est pourquoi, à ce jour, les micro-onduleurs ont été déployés principalement dans des installations domestiques sur les toits d’habitations, sur certains grandes toitures industrielles et sur des ombrières de parking. Les micro-onduleurs sont montés en parallèle et fonctionnent pour maintenir les performances maximales de chaque panneau individuellement, indépendamment de tous les autres.


 Dans un système traditionnel en série, la perte de performance d’un ou de deux panneaux PV et donc d’une ou de deux chaînes PV parmi des centaines ou des milliers est actuellement perçue comme ne suffisant pas à justifier des frais supplémentaires de câblage en parallèle des panneaux afin de surveiller leur performance individuellement, par l'utilisation de micro-onduleurs. Cette vision de l’industrie n’a pas changé depuis la création des centrales PV à grande échelle avec une exploitation sur plusieurs décennies.
Cependant, il faut se demander à l'ère des «Objets Connectés» pourquoi cette approche devrait rester immuable et ne pas être mieux adaptée aux systèmes de surveillance en continu, à plus haute résolution, qui dominent de plus en plus d'autres secteurs industriels pour mieux garantir les niveaux prévus de production d'électricité, la durabilité des systèmes et diminuer l’incertitude pour les investisseurs.

 

 Dans le cas des centrales PVs, les financiers, les propriétaires d'actifs et les développeurs présument que les panneaux solaires dureront de 25 à 30 ans et décident donc de NE PAS assumer au départ le coût supplémentaire de l'installation de micro-onduleurs, à leurs risque et péril.


 « Dans l’ingénierie des systèmes dans tous les secteurs industriels, tant qu’un phénomène n’est pas mesuré dans le temps, les gains d’efficacité en termes d’économie, de production et de qualité de la production ne peuvent être obtenus avec confiance ».


En plus des facteurs donnant lieu aux tassements différentiels dans les centrales PVs sur anciennes décharges (voir LanneSolaire Défi / Centrale PV sur ancienne décharge), les problèmes entourant la fiabilité et la durabilité des panneaux solaires individuels et des cellules PVs doivent être examinés, à savoir une longue liste de causes qui ont un impact négatif sur la production d'énergie solaire des centrales PVs. À ceux-ci, il faut ajouter les problèmes liés au câblage et au dysfonctionnement de l'onduleur central. Les pannes de l'onduleur central peuvent être à l’origine d'un arrêt du système et de pertes importantes dans la production d'électricité jusqu'à ce qu'il soit réparé ou remplacé. Dans les installations PVs à grande échelle ou domestiques, la défaillance de l'onduleur est de loin le type de défaut le plus fréquemment enregistré. De plus, les onduleurs centraux doivent être remplacés régulièrement (tous les 5 à 10 ans) avec un coût élevé par rapport aux autres dépenses d'exploitation et de maintenance pendant la durée de vie du système. Les dépenses à l'installation de la centrale PV liées aux onduleurs centraux et les coûts de remplacement d'un ou de plusieurs onduleurs centraux au cours de la vie de la centrale sont tous évités par un déploiement plus généralisé de micro-onduleurs. Ici, les problèmes liés aux transformateurs, aux contrôleurs de charge ou à la disponibilité globale du générateur photovoltaïque ne seront pas traités.


  Les panneaux photovoltaïques fonctionnent en dessous des niveaux de puissance de sortie optimales en raison de défauts dans les modules, le câblage, l'onduleur, etc. Aujourd'hui, la plupart de ces défauts restent non détectés pendant de longues périodes et entraînent des pertes de production d'énergie. Des techniciens doivent être envoyés sur le terrain pour localiser et réparer les pannes dans une série de chaînes PV. La nécessité d’effectuer des mesures de terrain chronophages dans une ou plusieurs chaînes PVs peut retarder la correction des défauts. Aujourd'hui, la plupart des types de défauts liés aux modules et autres sont détectés, au mieux, tardivement. Il est à noter que: ​ « La durabilité de la centrale & sa fiabilité tout au long de sa vie, sont la clé du retour sur investissement ». Les défauts du générateur photovoltaïque non repérés (et donc non rectifiés) entraînent non seulement des pertes de production d'électricité, mais peuvent également entraîner des problèmes de sécurité et des risques d'incendie aux proportions variables.

figure 1 : Pannes en cascade d’un module PV

 Dans les cas extrêmes, une accumulation excessive de la chaleur peut provoquer des feux aussi bien en contexte domestique qu'industriel dans les grands parcs solaires notamment. Ces feux peuvent être évités via un système "d'arrêt automatique" au niveau du module PV et non au niveau de l'onduleur de chaîne ou de l'onduleur central. La présence de ce système est rendue obligatoire aux États-Unis en situation domestique – mais pas encore en France ou en Europe, par exemple.

Figures 2 : Feux liés à la surchauffe de modules PV en contextes domestique et industriel

 Historiquement, les financiers, les propriétaires d'actifs et les développeurs solaires se sont contenté de présumer la longévité des panneaux solaires à 25 ou 30 ans. Une mise en garde majeure ici est le manque d'un recueil significatif de preuves éprouvant la potentielle longévité des modules solaires in situ sur une durée de 20 ou 30 ans. Ceci est également mis en évidence par l’impossibilité d’obtenir de telles données pour des technologies développées depuis l’an 2000, mais actuellement déployées en masse dans ces centrales PV à grande échelle. Cette vision d’une réalité supposée se reflète dans ce que l’on appelle la «courbe en baignoire». Au cours des 1 à 3 premières années suivant l’installation, les défauts deviennent rapidement évidents en tant que problèmes de fiabilité repérés par une défaillance catastrophique. Par la suite, on observe un taux constant de défaillances liées à l'usure du module se rapprochant de sa fin de vie.  Dans tous les cas, ces défauts doivent engendrer des «défaillances catastrophiques» pour être détectés rapidement dans la chaîne.​ ​ D'autres défauts électriques responsables de sous-performances de production d'électricité peuvent rester «non résolus» ou non détectés pendant de longues périodes.

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figure 3 : Évolution du taux de pannes au cours du temps

Jusqu'à très récemment, les meilleures données disponibles pour les pannes de modules sur le terrain sont résumées dans la figure suivante (d'après: TamizhMani, GS & Kuitche, J. 2013, Accelerated Lifetime Testing of Photovoltaic Modules, pp 1 - 106. Solar America Board for Codes et normes) et sur la base des ensembles de données disponibles en 2011.

Figure 4 : Problèmes de fiabilité (​pannes) et de durabilité (​dégradations​ ) des modules PV
(FF = "Field Faults" - Défaillances sur le terrain) 

Révélations de 2020 :​ La sagesse traditionnelle et historique / vision de l'industrie susmentionnée peut commencer à être remise en question par de récentes révélations. La société chimique Dupont a publié en 2020 ses résultats sur quelques 551 centrales PVs différentes et 53 fabricants de panneaux PVs différents sur le terrain​ (cf. Dupont global PV reliability - 2020 field analysis). À la grande surprise des spécialistes de l'industrie, des défauts ont été détectés dans 30% des neuf millions de panneaux solaires inspectés au cours de cette étude. Ce chiffre correspond à de graves défauts de «backsheet» (feuille arrière) dans 16% des cas et à des défauts de connexion cellule à cellule dans les 14% des cas restants. Certains propriétaires d’actifs seraient en «mode panique» aujourd’hui, si leurs propres centrales étaient concernées. De plus, les défauts de «backsheet» sont fortement influencés par leur composition chimique. Dans le cas du PVDF (fluorure de polyvinylidène), des défauts de fissuration ont été observés dans 23% des modules solaires après seulement neuf ans sur le terrain, tandis que le PET (polyéthylène téréphtalate) a fait encore pire avec environ 90% des modules présentant des défauts de fissuration après 15 ans - tous bien en avance sur la durée de vie supposée de 25-30 ans pour la fiabilité du module. Ces défauts résultent chronologiquement d'une défaillance de la «feuille de fond» (couche extérieure côté air) donnant lieu à 1) une pénétration d'humidité ; 2) craquelure, délaminage et jaunissement ; 3) corrosion, «points chauds», «traînées d’escargots», marques de brûlure, courts-circuits; et enfin 4) Mise à l’arrêt de l’onduleur, «arrêt» du générateur photovoltaïque (production d’énergie nulle) en raison d’une défaillance catastrophique avancée et de risques de sécurité, y compris d’incendie.

 

Ainsi, une surveillance continue des centrales PV à plus haute résolution peut être vue sous un jour nouveau et de manière plus rentable qu'auparavant. C'est-à-dire de manière à détecter et / ou prédire de telles occurrences beaucoup plus tôt, tout en faisant remplacer simultanément les panneaux PV défectueux par le fabricant, dépense sous garantie.


Le tableau suivant est une tentative d’inventaire des origines des sous-performances des centrales PV - Tableau : ​ Vulnérabilité des panneaux PV et des onduleurs, sous-performance des centrales PV.

Plusieurs détails sur les défauts des générateurs photovoltaïques et une introduction aux stratégies de détection des pannes sont accessibles dans les références suivantes :

 

TamizhMani, G.S. & Kuitche, J. 2013, ​ Accelerated Lifetime Testing of Photovoltaic Modules ​ , pp 1 - 106. Solar America Board for Codes and Standards

Alam, A., Johnson, J., Khan, F. & Flicker, J. 2015. A Comprehensive Review of Catastrophic Faults in PV Arrays: Types, Detection, and Mitigation Techniques. IEEE J. Photovoltaics, doi: 10.1109/JPHOTOV.2015.2397599

Arani, M.S. & Hejazi, M.A. 2016. The Comprehensive Study of Electrical Faults in PV Arrays. J. Electric. Computer Eng. Pp. 1-10, doi : 10.1155./2016/8712960.

 

Lecture supplémentaire :

Bloomberg Tier-1 Solar Panels List: 8 Points of critical failure. (review.solar)