Utilisation de camras infrarouges pour l'entretien des centrales photovoltaques

Note d'application

Au cours des dix dernires annes, la demande croissante en nergie a entran l'apparition de nouvelles sources d'nergie afin de remplacer le ptrole. Plusieurs technologies utilisant des nergies renouvelables, telles que les nergies olienne, marmotrice ou solaire, ont t mises au point.
L'utilisation du rayonnement solaire pour produire de l'lectricit l'aide de systmes photovoltaques s'est largement rpandue au cours des cinq dernires annes. Cette volution s'explique par plusieurs facteurs, notamment la maturit de cette technologie et les aides financires offertes par les gouvernements. Ce dveloppement a conduit l'mergence de nombreuses entreprises spcialises dans la conception, l'installation et la gestion de parcs ou de fermes solaires. Prenons le cas de l'Espagne pour illustrer le dveloppement du secteur photovoltaque. Ce pays est actuellement l'un des principaux producteurs d'nergie photovoltaque dans le monde. On estime en effet sa puissance installe 3 200 MW (pour l'anne 2008, la puissance installe en Espagne tait d'environ 2 500 MW). Ces installations doivent bien entendu offrir un retour sur investissement suffisant pour tre rentables. Par consquent, plusieurs facteurs entrent en ligne de compte. Ces installations doivent notamment fonctionner parfaitement, ce qui signifie que l'ensemble de la centrale doit fournir des performances optimales, tout particulirement si le cot de l'lectricit solaire est plus lev que celui d'autres technologies plus traditionnelles. d'orientation des panneaux selon le type d'installation, de cblage et de systmes de protection, ainsi que d'lments moyenne tension dans le cas o le systme est connect un rseau industriel. Tous ces lments forment un systme qui, s'il fonctionne correctement, offre un retour sur investissement dans les dlais prvus.

Panneaux photovoltaques
Un systme de panneaux photovoltaques est constitu de panneaux ou de modules qui contiennent des cellules composes de matriaux semi-conducteurs sensibles au rayonnement solaire. Ces cellules gnrent une tension continue. Elles peuvent utiliser diffrentes technologies, notamment le silicium polycristallin, la technologie couches minces, le tellurure de cadmium ou l'arsniure de gallium, chacune ayant un rendement spcifique. Ces cellules sont groupes au niveau du panneau en une ou plusieurs sries parallles, suivant le niveau de tension et de courant souhait. Dans des conditions normales, chaque cellule photovoltaque gnre une tension lorsqu'elle reoit un rayonnement solaire. Les tensions additionnes de l'ensemble des cellules de la srie du panneau produisent une tension de sortie, que l'onduleur convertit en tension de sortie alternative. Le rapport entre la tension et le courant fournis par la cellule s'observe sur sa courbe caractristique I-U. Si la cellule reoit un rayonnement solaire, la valeur de IxU sera suprieure zro, en d'autres termes, il y aura production d'lectricit.

Installations photovoltaques
A la base, une installation photovoltaque est constitue de panneaux photovoltaques fixs sur des structures adaptes, d'onduleurs qui convertissent la tension continue produite par les panneaux solaires en tension alternative, de systmes
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En fonctionnement I x V = > 0- Production d'lectricit

Cellule recevant un rayonnement solaire

panneaux photovoltaques) en utilisant une des palettes de couleurs choisies par l'utilisateur. Les tempratures sont reprsentes par diffrentes couleurs et par une image en lumire visible qui permet d'identifier les lments. Grce au thermogramme, il est possible d'observer la surchauffe des cellules dfectueuses, comme l'illustre l'image ci-contre. Ce type de problme est plus facile dtecter lorsque le panneau fournit un maximum de courant, gnralement en milieu de journe, par temps clair. Dans ces conditions, on peut dtecter des tempratures pouvant aller jusqu' 111 C, comme l'indique l'exemple de droite.

T1<T2<T3

En fonctionnement
I

I x V = > 0- Production d'lectricit

V

Effet de la temprature sur les courbes de performance

En fonctionnement I x V = > 0- Production de chaleur

Cellule ne recevant aucun rayonnement solaire ou cellule dfectueuse

Panneau solaire avec plusieurs zones et points chauds

Lorsqu'une cellule ne fonctionne pas ou ne produit pas d'nergie parce qu'elle ne reoit aucun rayonnement solaire, sa polarit peut s'inverser. Elle ne fonctionne alors plus comme un gnrateur, mais comme un chargeur, ce qui peut entraner une importante dissipation de chaleur. Il est trs facile de dtecter ce type de situations grce une camra infrarouge Fluke dote de la technologie IR-Fusion.

Cellule 111 C

Etant donn que les cellules sont relies en srie pour obtenir la tension la mieux adapte l'onduleur utilis, un dfaut dans l'une des cellules peut conduire, selon la structure du panneau photovoltaque, une panne de courant partielle ou totale dans le panneau photovoltaque. Ce type de problme entrane une baisse de rendement du panneau, ce qui prolonge le dlai de retour sur investissement. Les dysfonctionnements lis une surchauffe peuvent en outre provoquer une baisse d'efficacit, ou mme une panne, des cellules adjacentes. Le problme s'tend alors l'ensemble du panneau. Il est possible de contrler les panneaux photovoltaques avec une camra infrarouge l'avant ou l'arrire du panneau. Contrler le panneau l'arrire permet d'viter les problmes de rflexions solaires ou de rflexions lies la faible missivit de la surface cristalline du panneau.

La thermographie permet dans tous les cas d'identifier rapidement et distance les panneaux qui prsentent des points chauds. Il suffit d'analyser l'installation l'aide d'une camra infrarouge. Afin d'viter les problmes lis la polarisation inverse des cellules, les modules photovoltaques sont parfois dots de diodes de protection (blocage, direction unique ou drivation), qui dissipent d'autant plus de courant que le nombre de cellules dfectueuses est lev. Cet chauffement peut aussi tre dtect l'aide d'une camra infrarouge en examinant le panneau du ct des connexions.

Panneau photovoltaque comportant une cellule dfectueuse

La camra infrarouge Fluke capture la fois un thermogramme totalement radiomtrique et une image en lumire visible. Elle les superpose ensuite pixel par pixel avec diffrents degrs de translucidit. L'image obtenue indique les tempratures de surface de l'objet concern (ici, les

Thermographie effectue l'arrire

Il est important de porter une attention toute particulire la prsence d'ombres, sur les panneaux photo-

2 Fluke Corporation Using thermal imagers in photovoltaic plant maintenance

Point chaud dtect distance

tellement que leur dure de vie utile en est considrablement rduite. Cet chauffement peut tre provoqu par des dysfonctionnements mcaniques comme des problmes au niveau des roulements, de l'alignement et de la ventilation ou des fuites dans les enroulements.

Pour vrifier si le moteur fonctionne correctement, il est extrmement utile Contrle simultan de plusieurs panneaux de recourir d'autres instruments de mesure tels que des pinces de photovoltaques courant pour mesurer les fuites ou des contrleurs d'isolement. La camra infrarouge peut galement tre utilise pour dtecter des problmes d'chauffement dans les onduleurs et dans les transformateurs de moyenne tension. Concernant les transformateurs de moyenne tension, il est possible de dtecter des problmes dans les connexions basse et moyenne tension ainsi que des problmes lis aux enroulements internes.

Vrification thermique du moteur

Botier de connexions et de diodes de protection

Botier de connexions prsentant une chaleur anormale

Thermogramme des connexions d'un transformateur de moyenne tension

Cellule dfectueuse

Problmes d'chauffement au niveau de la cellule et du botier de connexions

voltaques, produites par des arbres, des poteaux lectriques moyenne tension, d'autres panneaux, etc. Elles peuvent laisser croire tort qu'il existe une irrgularit dans les zones thermiques (notamment si les thermogrammes sont capturs tt le matin ou tard dans l'aprs-midi). Le vent doit galement tre pris en compte car il rduit la temprature des points chauds par convection et ceux-ci peuvent alors ne pas tre considrs comme de vritables dfauts.

Panneau prsentant des zones thermiques irrgulires dues aux ombres sur le panneau

Moteur en surchauffe en raison d'un dfaut d'isolement

Autres lments contrler

La camra infrarouge permet galement d'examiner les moteurs. Dans certaines circonstances, par exemple dans certaines conditions atmosphriques ou en cas d'erreur dans le dimensionnement des moteurs, ceux-ci peuvent chauffer Dans le domaine de la maintenance prventive et prdictive, la thermographie peut galement se rvler une aide prcieuse pour contrler des points de connexion, qui peuvent se desserrer avec le temps et entraner des problmes d'exploiExemples de thermogrammes indiquant des points chauds sur des connexions dfectueuses

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tation et des coupures inutiles, surtout si l'on considre qu'une centrale photovoltaque peut compter un trs grand nombre de panneaux lectriques et de connexions DC et AC. C'est pourquoi il faut savoir qu'une connexion dfectueuse entrane une rsistance plus leve. Autrement dit, la dissipation thermique sera plus importante en raison de l'effet Joule.

Conclusion
Compte tenu de la priode d'amortissement des centrales photovoltaques (entre 6 et 10 ans), il est essentiel de s'assurer que le rendement de la centrale correspond aux objectifs fixs lors de la phase de conception, afin de garantir sa rentabilit tout au long de sa priode de fonctionnement. C'est la raison pour laquelle la thermographie est un outil indispensable pour analyser le fonctionnement et l'efficacit des diffrents composants de l'installation : modules photovoltaques, connexions, moteurs, transformateurs, onduleurs, etc. Une rduction de l'efficacit des panneaux photovoltaques peut entraner un prolongement considrable de la priode d'amortissement de la centrale. Comme c'est le cas pour de nombreux processus et installations, la temprature est un facteur dcisif pour le fonctionnement optimal de cet quipement. Une rgle de base nonce par exemple que, pour un lment donn

d'un quipement, une augmentation de 10 C au-dessus de la temprature de fonctionnement recommande par le fabricant peut entraner une rduction de 50 % de sa dure de vie utile. Cette rgle simple montre bien que les tempratures excessives peuvent impliquer des cots importants en termes d'quipement et d'entretien gnral. De plus, si l'on considre que les panneaux solaires intgrent un grand nombre de cellules semiconductrices, la chaleur produite dans une cellule dfectueuse peut conduire une dgradation des cellules voisines, aggravant ainsi le problme au fil du temps. La russite du processus de dmarrage de la centrale est galement un aspect primordial. Une camra infrarouge est alors un outil trs prcieux car il permet au responsable de site de dtecter les panneaux photovoltaques qui prsentent des dfauts de fabrication et de se reporter aux garanties correspondantes. Tous ces aspects montrent bien que la thermographie constitue un outil indispensable l'entretien des installations. Il est en outre trs simple utiliser, ce qui permet de l'intgrer totalement l'ensemble des outils utiliss par les techniciens d'entretien (multimtres, pinces multimtres, pinces de courant de fuite, contrleurs d'isolement et nergiMtres).

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