Détection des défauts des modules et systèmes solaires
Avec l'augmentation constante des prix de l'électricité, les programmes de subventions publiques en faveur des énergies renouvelables et la nécessité de la transition énergétique, les particuliers se tournent de plus en plus vers les systèmes photovoltaïques avec injection dans le réseau. Les propriétaires de véhicules électriques par exemple peuvent ainsi faire le plein quasi-gratuitement, avec l'énergie solaire autoproduite.
Les artisans, les commerçants et les entreprises industrielles utilisent également les toits et les espaces libres disponibles pour produire de l'électricité grâce à la puissance du soleil, réduisant ainsi les coûts d'exploitation.
Les onduleurs raccordés au réseau, dotés d'une électronique intelligente et d'une connexion directe à internet, donnent un aperçu précis des performances du système.
Par conséquent, il est possible de se rendre compte immédiatement d'une baisse du rendement liée à un problème dans le système. Découvrez dans la suite de cet article le fonctionnement d'un système photovoltaïque et comment remédier à un dysfonctionnement.
Pour trouver rapidement la faille dans le système photovoltaïque en cas de dysfonctionnement, il est nécessaire de connaître la structure et le fonctionnement d'un panneau solaire ou d'un système solaire complet.
Cellule solaire
Un panneau solaire se compose d'un nombre plus ou moins important de cellules photovoltaïques. Une cellule photovoltaïque est constituée de deux couches de silicium très pur, très fines, auxquelles ont été volontairement ajoutés d'autres éléments chimiques comme le bore et le phosphore.
Les experts parlent de dopage positif avec le bore et de dopage négatif avec le phosphore.
À la jonction des deux couches semi-conductrices se forme ce que l'on appelle une jonction pn (couche limite).
Pour connaître la structure et le fonctionnement exact d'une jonction pn, reportez-vous à notre article consacré à la diode 1N4148.
Dans une cellule solaire, l'incidence de la lumière du soleil (photons) libère des électrons dans la couche limite, qui créent une tension électrique aux points de jonction.
Panneaux solaires
Une seule cellule solaire mesurant par exemple 156 × 156 mm, peut fournir une quantité significative d'électricité en cas de fort ensoleillement.
Cependant, la tension électrique est relativement faible. Dans le cas du silicium, la tension terminale d'une seule cellule photovoltaïque est d'environ 0,5 à 0,7 V. C'est pourquoi les cellules solaires individuelles d'un module sont connectées en série. C'est le même principe que pour les piles des lampes, qui sont également branchées en série pour augmenter la tension.
Dans les modules solaires représentés sur l'image, 36 cellules sont branchées en série pour former ce que l'on appelle des substrats. Ces modules atteignent ainsi une tension en circuit ouvert (bornes ouvertes) de 24,9 V.
Après le soudage, les cellules sont laminées entre deux feuilles et sont ainsi protégées efficacement contre l'humidité. Un cadre en aluminium avec une plaque de verre et une feuille arrière stable avec une boîte de jonction complètent le module solaire.
Sélection de panneaux solaires
Champ solaire
Un champ solaire se compose de plusieurs modules interconnectés (2). Les différents modules sont branchés en série pour former ce que l'on appelle des strings (3). Leur nombre dépend de l'espace disponible.
La tension totale (tension à vide) de l'ensemble des modules en série ne doit pas dépasser la tension d'entrée de l'onduleur.
Pour obtenir la puissance souhaitée, il est possible de brancher plusieurs strings en parallèle dans un champ solaire. Le nombre de modules doit être identique pour chaque string.
Onduleurs et fournisseurs d'énergie
Les panneaux solaires (1) sont conçus pour fournir une tension continue, celle-ci doit être convertie en tension alternative à l'aide d'un onduleur (2). C'est à cette seule condition qu'il est possible d'alimenter le réseau public ou de l'utiliser en interne (5) par l'intermédiaire d'un compteur bidirectionnel (3).
Les onduleurs disposent souvent d'une option de connexion pour un système de stockage d'énergie (4) ou un système de stockage d'énergie par batterie (BESS). Le système de stockage d'énergie est une grande batterie qui est chargée avec du courant continu et qui restitue du courant continu.
Si le système solaire ne fournit pas suffisamment d'énergie électrique les jours de mauvais temps, ou aucune énergie électrique du tout dans l'obscurité, la batterie devient une source d'énergie disponible pour les consommateurs avant que l'électricité ne soit puisée dans le réseau.
L'achat ou la location d'un système solaire est un réel investissement, il est donc essentiel de contrôler régulièrement son bon fonctionnement.
Dans le cas le plus simple, il suffit de lire les compteurs d'électricité. Effectuez des relevés à intervalles réguliers et comparez-les.
Par ailleurs, les onduleurs dotés d'un écran fonctionnel intégré sont parfaits pour obtenir une vue d'ensemble rapide des performances des panneaux solaires, en particulier s'ils affichent des diagrammes à barres avec des axes temporels.
Dans la version la plus conviviale, des enregistreurs de données stockent les différentes valeurs caractéristiques du système. Les données peuvent ensuite être consultées facilement sur un smartphone, à tout moment et où que vous soyez.
Quel que soit le type de surveillance, des valeurs empiriques significatives sur les performances du système dans certaines situations météorologiques seront très vite collectées.
Par conséquent, il est possible de se rendre compte rapidement d'une baisse significative de performance du système solaire.
Notre conseil pratique : tenir compte de la dégradation lors de l'évaluation des performances
Les modules solaires sont exposés sans protection aux intempéries et aux influences environnementales tout au long de l'année. Outre les contraintes mécaniques dues à la pluie, à la neige et à la grêle, les panneaux doivent également résister à des températures élevées, au gel et à une quantité non négligeable de rayons UV. Les modules solaires sont donc soumis à un vieillissement naturel ou à une dégradation de leurs performances. Les panneaux solaires cristallins perdent environ 10 à 15 % de leur rendement, lentement mais continuellement, sur une période de 20 à 25 ans.
Une documentation complète du système est nécessaire pour localiser avec précision le défaut et remédier aux dysfonctionnements susceptibles de survenir par la suite. Ces documents doivent être demandés au fabricant du système ou à l'entreprise chargée de l'installation ou, au plus tard, lors de la mise en service. Les schémas de câblage et de circuit ainsi que les compte-rendus de mesure sont très utiles : en cas de dysfonctionnement, il est alors possible de comparer les valeurs de courant aux données de mise en service mentionnés sur les compte-rendus de mesure.
Dysfonctionnement de l'onduleur
L'onduleur représente l'élément central de toute installation solaire alimentée par le réseau.
Ce composant plutôt sensible réagit aux fortes fluctuations de courant et de tension. Mais des influences externes peuvent également avoir un effet négatif sur l'onduleur.
Des messages d'erreur sont affichés sur l'écran ou signalés par une LED ; il faut alors se reporter au manuel d'utilisation afin d'attribuer correctement le code d'erreur.
En général, les documents décrivent également les étapes supplémentaires qui doivent ou peuvent être effectuées par les utilisateurs avant de faire appel à un dépanneur qualifié.
Ombres et points chauds
Lorsqu'elles sont à l'ombre, les cellules ne génèrent pas de courant et se comportent de plus comme une résistance parasite. Cela réduit considérablement la sortie de courant des cellules actives du module.
Comme les cellules ombragées deviennent très chaudes en raison du courant élevé du module, il se crée un point chaud qui détruit la cellule à plus ou moins brève échéance.
Pour éviter ce phénomène, les fabricants installent des diodes bypass dans les boîtiers de raccordement des modules solaires.
Dans ce cas, les diodes ont une résistance au courant nettement inférieure à celle des cellules ombragées et court-circuitent le string avec les cellules concernées. Cela permet d'éviter efficacement la formation de points chauds.
Perte de performance progressive
Une perte progressive de performance peut être causée par une détérioration des panneaux, mais pas nécessairement. Il arrive souvent que des arbres ou des arbustes poussent à proximité des panneaux solaires et leur fassent de l'ombre.
La perte de performance peut aussi être causée par des salissures importantes et persistantes qui ne sont plus éliminées par l'eau de pluie. Dans ce cas, un nettoyage professionnel des panneaux solaires permet d'augmenter à nouveau le rendement de manière significative.
Performance différente ou insuffisante des strings
Si tous les strings d'un système solaire sont construits de la même manière et que les modules sont alignés de la même façon, il est possible d'effectuer des mesures comparatives significatives, et ainsi de voir très rapidement si le courant est plus faible dans un string que dans les autres.
Il est également possible de comparer les valeurs de courant mesurées avec les données des protocoles de mesure établis lors de la mise en service.
Les pinces de courant ou pinces ampèremétriques permettent des mesures rapides et faciles, car il n'est pas nécessaire de débrancher les câbles d'alimentation pour effectuer les mesures.
Si un système solaire présente une perte de puissance mesurable, il faut identifier la cause du problème et y remédier. Plusieurs procédures existent à cet effet.
Inspection visuelle
Une fois que vous avez constaté qu'un string est défectueux, effectuez un contrôle visuel des panneaux solaires appartenant à ce string. Il est ainsi très facile de voir par exemple que la grêle a cassé le verre ou que de fines fissures se sont formées dans le vere. En fonction de l'ancienneté des dégâts, il est possible de constater également la présence de traces d'oxydation causées par l'infiltration d'humidité.
Les boîtes de raccordement défectueuses ou les câbles endommagés par des morsures d'animaux peuvent également être détectés assez facilement par un simple contrôle visuel. Des changements de couleur localisés ou des dommages au dos de la feuille peuvent être le signe de cellules potentiellement surchauffées et défectueuses.
Test de mesure
Si les dommages ne sont pas visibles sur les modules défectueux, il convient de procéder à un examen métrologique. Pour tester le panneau solaire, il est très utile d'effectuer plusieurs mesures comparatives avec des modules de construction identique afin d'identifier clairement les modules défectueux. Les paramètres les plus importants sont la tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit lorsque les modules sont orientés de la même manière vers le soleil.
Une perte de puissance des modules peut être causée par une défaillance des diodes bypass.
Si les diodes sont surchargées et présentent un court-circuit, les substrats associés à la diode dans les modules ne peuvent pas contribuer à la production d'énergie. Si les diodes sont interrompues, les cellules défectueuses ou endommagées du module ne sont plus pontées, ce qui réduit également la production d'énergie.
Les diodes défectueuses peuvent être identifiées très facilement à l'aide d'un multimètre. Pour éviter les mesures erronées, les diodes doivent être retirées ou au moins soudées d'un côté. La procédure de test des diodes est généralement détaillée dans les notices d'utilisation des multimètres.
Notre conseil pratique : soyez prudents lorsque vous effectuez des mesures sur les panneaux solaires
Contrairement à la mesure du courant à l'aide d'un ampèremètre mentionnée ci-dessus, d'autres mesures nécessitent une expérience approfondie en électronique et en technologie solaire. Une bonne connaissance des risques associés et des mesures de sécurité nécessaires est également requise. En effet, dans les grandes installations où de nombreux modules sont connectés en série pour former un string, des tensions de plusieurs centaines de volt peuvent être présentes, même en cas de faible rayonnement solaire.
Thermographie à l'aide d'une caméra thermique
Bien entendu, l'inspection optique et métrologique ne peut être effectuée que si les modules sont facilement accessibles, par exemple sur une installation au sol. La tâche est plus difficile si les modules sont montés sur le toit d'une maison. Dans ce cas, ou dans le cas de surfaces étendues comprenant un très grand nombre de modules solaires, la thermographie à l'aide d'un hélicoptère ou d'un drone est probablement la meilleure solution.
Les images thermographiques ci-dessous montrent comment reconnaître les différents défauts des installations solaires ; des différences de luminosité clairement visibles permettent même aux personnes peu expérimentées de distinguer les différents types de dysfonctionnements.
Pour obtenir des images significatives en thermographie, le rayonnement global doit être d'au moins 600 W par mètre carré (800 à 1000 W idéalement). L'angle de vue des modules ou l'angle de mesure de la caméra thermique doit également être compris entre 50° et 80°.
La plupart des experts qui effectuent des vols de drones avec des caméras thermiques savent très précisément quand et comment prendre les mesures. L'évaluation des mesures ou de l'imagerie permet de déterminer les réparations à effectuer.
La possibilité de réparer un panneau solaire défectueux dépend de plusieurs facteurs :
Type de dommage
Les défauts techniques tels que les câbles de connexion endommagés, les fiches de connexion brûlées, les boîtes de jonction ou les diodes bypass défectueuses peuvent en général être réparés facilement, rapidement et sans trop d'efforts.
Notre conseil pratique : remplacez les diodes bypass
Important : remplacez les diodes défectueuses par des diodes Schottky avec les valeurs de courant et de tension requises. En effet, ces diodes ont une baisse de tension dans le sens du flux nettement inférieure à celle des diodes au silicium standard.
La situation est plus complexe si le verre situé au sommet du module est endommagé. La question se pose alors de savoir si seul le verre est endommagé ou si les cellules solaires situées en dessous le sont également.
Dans cette situation, mesurez d'abord la performance du module solaire.
En effet, si le dommage est déjà ancien, l'humidité et la saleté pénétrant au fil du temps conduiront à l'oxydation des cellules solaires situées sous le verre ou de leurs connexions (voir également l'illustration dans le paragraphe « Inspection visuelle »).
Age, taille et état
Si vous ne parvenez pas à identifier la cause de la baisse de performance, vérifiez l'âge du panneau. En effet, les fabricants de panneaux photovoltaïques accordent parfois une garantie de performance assez longue sur leurs produits. Consultez le vendeur en cas de doute.
Il arrive parfois que la plaque de verre des nouveaux modules soit endommagée pendant le transport. Cependant, les panneaux concernés produisent encore un courant et une tension conformes aux valeurs maximales mentionnées dans les fiches techniques. Dans ce cas, il est possible de sceller la plaque de verre cassée du module avec une résine de coulée ou un vernis approprié et de réparer ainsi le module.
Sceller la plaque n'est pas une solution rentable pour les modules plus anciens et plus petits, la meilleure solution consiste à remplacer le module défectueux. Malheureusement, il arrive souvent qu'un module de la taille et de la puissance requises ne soit plus disponible dans le commerce. Dans ce cas, adressez-vous à une entreprise spécialisée dans la réparation et la reconstruction de modules solaires défectueux. Vous trouverez leurs coordonéees sur Internet.
Effectuez régulièrement un contrôle visuel complet de vos installations solaires ou des mesures à l'aide d'un ampèremètre. Ces vérifications ne nécessitent pas de compétence technique complexe.
Toutefois, si le système photovoltaïque présente des dommages importants, il convient de faire appel à des experts confirmés, d'autant plus que ces travaux doivent souvent être effectués en hauteur et qu'ils requièrent une grande expertise.
Bien que l'on puisse trouver sur Internet des vidéos expliquant comment remplacer des diodes bypass défectueuses ou sceller des modules photovoltaïques endommagés, nous vous déconseillons vivement d'effectuer ces travaux vous-même si vous ne disposez pas des compétences nécessaires. Il est préférable de choisir des modules solaires de qualité et de souscrire une assurance qui couvre tous les frais de réparation et de perte d'utilisation en cas de grêle, par exemple.