Par Matthias DIEHL de pvBuero
Nous rencontrons assez souvent un défaut particulier sur les centrales photovoltaïques. C’est celui des connecteurs de cellules ouvertes sur des modules solaires simples dans une chaîne de modules. Il est très important de détecter ces défauts à un stade précoce. L’incendie photovoltaïque provient souvent de ce type de défauts. Notez que l’article est destiné aux lecteurs les plus compétents sur le plan technique. Il risque de s’avérer difficile pour les non techniciens. Si d’ailleurs, vous avez besoin de vous former sur la recherche d’erreurs et le diagnostic, notre formation était ouverte !
Problèmes de connexions
La connexion en série entre les cellules individuelles d’un module solaire peut parfois se rompre en un ou plusieurs points. Cela peut se produire dans une variété d’endroits. Nous l’avons vu dans la boîte de jonction du module lorsque, par exemple, les contacts d’une pince à ressort s’étaient corrodés.
C’est le cas le plus simple à résoudre. Car le point de contact peut généralement être rétabli si le défaut est découvert à temps. Lorsque le défaut se produit dans le stratifié, les perspectives ne sont pas aussi bonnes, car il est impossible d’y accéder pour réparer le défaut.
Malheureusement, ces ruptures peuvent se produire de différentes façons. Soit entre deux cellules, soit sur les traverses supérieures, et elles ne peuvent être réparées à un coût raisonnable. Elles nécessitent le plus souvent le remplacement des modules concernés. Si, comme dans le cas illustré ci-dessous, les vitres du module sont déjà fissurées, le module devra de toute façon être remplacé.
Parce que nous aimons partager nos connaissances, nous allons vous décrire comment résoudre le problème en utilisant différentes méthodes d’investigation.
Pour nos besoins, il serait logique de supposer que le défaut n’a pas entraîné une défaillance dans la chaîne de modules. Chaque sous chaîne d’un module, composée de 20 à 24 cellules solaires, est toujours pontée par une diode de dérivation. Ainsi, un connecteur ouvert entraînera une chute de la tension de circuit ouvert de toutes les cellules de la sous chaîne (d’environ 0,5 V ) au point de rupture. En conséquence, la diode de dérivation recevra une tension positive et deviendra conductrice. La chaîne continuera de fonctionner à une tension de circuit ouvert réduite.
Utiliser le monitoring pour anticiper l’incendie photovoltaïque
La première façon de localiser ce défaut est aussi la plus facile. Mesurez toujours la tension en circuit ouvert des chaînes individuelles par rapport à une chaîne de référence. Vérifiez la différence de tension entre les deux chaînes (en supposant la même longueur de chaîne). Si la différence de tension est de l’ordre de 11-13V, vous devez regarder de plus près la chaîne. Incidemment, un bon portail de surveillance (monitoring) détectera également ces différences de tension sans que personne n’ait à accéder physiquement au système.
Si vous êtes sur place, une inspection thermographique est le moyen le plus simple de localiser le défaut. Bien sûr, cela nécessite un niveau d’irradiation décent d’au moins 600W/m².
Venons-en maintenant à la fameuse question de notre formation sur le dépannage : « Quand est-ce qu’un module solaire atteint-il sa température maximale ? A vide, au MPP (point de puissance maximale) ou en court-circuit ? »
La réponse est : à vide. En utilisant la loi de conservation de l’énergie, il est assez simple de l’expliquer. Si le module est irradié avec une quantité d’énergie spécifique, il chauffe jusqu’à ce que l’énergie rayonnée soit exactement égale à l’énergie absorbée. Le module est alors en équilibre thermique et sa température n’évolue plus. L’équilibre est également atteint, bien qu’à une température plus basse, si une partie de l’énergie irradiée est convertie en électricité et évacuée du module. Cela se produit lorsque l’énergie est envoyée à l’onduleur. Elle n’est plus en mesure de contribuer au chauffage du module.
Si, comme dans le défaut décrit ici, un tiers d’un module tombe en panne (la plupart des modules ont 3 sous-chaînes pontées avec une diode de dérivation), alors ce tiers chauffera légèrement plus que les autres parties du module fonctionnant en mode MPP. D’expérience, nous savons que la différence de température est de 2-3 degrés. Étant donné que la diode de dérivation reste conductrice dans de tels cas, la boîte de jonction du module deviendra également légèrement plus chaude.
Ainsi, vous pouvez dire, à partir de la cohérence de la température entre les sous-chaînes affectées, que vous n’avez pas affaire à une diode de dérivation en court-circuit. En cas de court-circuit d’une diode by-pass, vous observeriez le motif en damier typique des cellules à différentes températures.
Les arcs électriques, des sources d’incendie photovoltaïque
Ceci décrit essentiellement comment vous pouvez détecter rapidement et de manière fiable l’existence du défaut et le localiser. Ce qui est intéressant dans ces images, ce n’est pas seulement l’étape finale. Lorsque la connexion est complètement ouverte, et lorsque la situation de panne se produit, le risque d’incendie est très important.
Avant toute chose, ne paniquez pas à propos des modules solaires qui pourraient s’enflammer. Cet article est uniquement destiné à sensibiliser le public au fait que de telles choses peuvent arriver. Et de montrer que l’entretien régulier de système photovoltaïque est important. Tout comme vous le feriez pour un système de chauffage au gaz. Avec un système de surveillance sensé en place (monitoring) et mainteneur qui comprend ce qui est important, les défauts peuvent être détectés tôt.
Mais revenons au connecteur ouvert. Idéalement, le contact échouera rapidement et complètement, avec pour résultat que la tension en circuit ouvert de toutes les cellules de la sous-chaîne chutera simplement au niveau du contact ouvert. Dans ce cas, rien ne se passera : le courant circulera simplement à travers la diode de dérivation et la tension de la chaîne du module sera réduite d’un tiers de la tension en circuit ouvert. Cela arrive, et n’est pas du tout dangereux.
Malheureusement, il existe également des cas où le contact échoue complètement à des températures élevées lorsque le film d’encapsulation se dilate pendant la journée. À des températures plus basses, le film d’encapsulation se contracte et appuie inévitablement à nouveau sur le contact. Des points chauds se forment alors à ces endroits car la résistance du connecteur est bien supérieure à celle d’un connecteur fils. La recherche de tels défauts est, bien sûr, doublement difficile, puisque le défaut (tension en circuit ouvert insuffisante) est intermittent.
Nous avons déjà eu des cas où un courant inverse pouvait être appliqué aux modules sans aucun problème et où la connexion a fonctionné pendant la journée lorsque les températures étaient plus élevées. Il n’était alors pas possible d’appliquer un courant inverse. La situation devient particulièrement critique lorsqu’un petit espace se forme entre les contacts ouverts, ce qui provoque un arc lorsqu’une tension est appliquée.
La tension aux bornes de l’arc est normalement limitée à la tension en circuit ouvert de toutes les cellules de la sous-chaîne. Cela limite également la dissipation de puissance dans l’arc. Néanmoins, dans le pire des cas, cela pourrait suffire à briser la vitre avant.
C’est encore pire lorsqu’une étincelle enflamme le film de support. Ces photos montrent le motif de défaut typique avec un film de support décoloré. Vous pouvez voir comment ce défaut se produit dans la vidéo ci-dessous. Dans les vidéos, l’arc a été allumé artificiellement.
Le test a nécessité des tensions significativement plus élevées que les tensions en circuit ouvert de 24 cellules. La simulation est cependant assez réaliste. Si l’on imagine qu’une diode de dérivation, qui est active en permanence et donc soumise à des contraintes beaucoup plus élevées, est soudainement retirée, il est clair que des tensions d’arc de plusieurs centaines de volts peuvent se développer. Le fait que des cas de brûlure de film de support se soient produits montre que ces vidéos fonctionnent assez bien pour démontrer les causes de ce défaut.
Courant inverse
Dès qu’un connecteur dans une sous-chaîne se détache complètement, vous ne pouvez plus appliquer de courant inverse. Comme expliqué précédemment, le défaut ne peut alors être localisé de manière réaliste qu’à l’aide d’une inspection thermographique de jour. Vous pouvez toujours appliquer du courant dans le sens direct, c’est-à-dire via les diodes de dérivation. Cela vous permettra de distinguer clairement le défaut d’un câble CC sectionné à l’extérieur du module. Dans les cas où le contact n’est pas encore complètement déconnecté, il existe un risque que l’application d’un courant inverse puisse provoquer un arc.
Cela permet de localiser rapidement le défaut mais cela pourrait également provoquer un incendie par inadvertance. Il est donc essentiel que vous ne fassiez jamais ce type d’inspection par vous-même, que vous examiniez attentivement les modules sous tension et que vous procédiez toujours avec prudence.
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