FR2944143A1 - Detection de salissure - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un module photovoltaïque comprenant une surface exposée à l'environnement extérieur caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optiques de détection d'une modification de l'état de la surface exposée, ainsi qu'une installation intégrant un tel module.

Description

La présente invention concerne un module photovoltaïque comprenant une surface exposée à l'environnement extérieur dont l'état de surface est susceptible d'être modifié ainsi qu'une installation comportant une pluralité de tels modules.

Un panneau photovoltaïque en captant l'énergie de la lumière solaire génère de l'électricité grâce à des cellules photovoltaïques. Une cellule photovoltaïque est un composant électronique de type photodiode. Ce composant électronique à plusieurs comportements tels que : - sous radiation lumineuse, ce composant se comporte en 10 générateur électrique - dans l'obscurité, ce composant se comporte en récepteur, devient résistif et donc consomme de l'énergie pour la transformer en chaleur. Dans le cas d'un mode récepteur, la photodiode va anormalement chauffer pouvant aller jusqu'à sa destruction. 15 Pour éviter tout dommage, il est utilisé des diodes dites bypass pour véhiculer l'énergie automatiquement dès qu'une photodiode se met en mode récepteur. Couramment, il est utilisé une diode bypass pour chaque groupement de plusieurs cellules constituant le module, un module comportant généralement plusieurs groupements de cellules. 20 Dès qu'une diode bypass est en fonctionnement, le panneau photovoltaïque est en mode dégradé, et ne génère pas la quantité d'énergie optimale prévue. Une installation s'inscrit dans un environnement qui évolue au grès des saisons et des années. Toute installation peut être assujettie à des 25 salissures provenant de poussières, feuilles, givre, sable, hydrocarbure, déjections animales, ou tout autres corps émanant de cet environnement. Selon l'évolution de l'environnement, il peut être délicat de déterminer avec efficacité la périodicité de nettoyage. Il est donc nécessaire de détecter rapidement et précisément une 30 salissure portée sur chacun des panneaux photovoltaïque et de la signaler pour réaliser une opération de nettoyage ou de maintenance. Jusqu'à aujourd'hui, tous les systèmes de détection portent sur la détection de salissure sur la surface d'un panneau parmi plusieurs panneaux d'un même champ photovoltaïque complet. Ces systèmes de détection obligent 35 à disposer un système de prise de décision déporté du module. Un module unique sorti de son environnement n'est pas capable de définir s'il est dans de bonnes conditions de fonctionnement. Il doit transmettre ces données mesurées vers une centrale qui suivant les résultats des autres modules constituant le champ photovoltaïque déterminera si il fonctionne correctement. Ce type de système adopte donc une approche comparative des résultats de mesures entre modules d'un même champ photovoltaïque. Avec un tel système, il faut au moins deux panneaux photovoltaïques pour pouvoir comparer les résultats entre modules. Le système ne fonctionne pas pour une installation comprenant un seul panneau photovoltaïque.

La pertinence de la détermination de fonctionnement est directement liée au nombre de panneau constituant le champ. Plus il y a de panneaux à comparer et plus la décision pourra être efficace. L'efficacité est liée aussi à la typologie de l'installation et à la variation d'exposition du champ. Si plusieurs modules sont orientés différemment les uns des autres, il sera très difficile d'avoir un algorithme de détermination de défaut efficace et adéquat. La présente invention a pour objectif de proposer une solution à ces inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un module photovoltaïque comprenant une surface exposée à l'environnement extérieur caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optiques de détection d'une modification de l'état de la surface exposée. Une modification de l'état de la surface exposée d'un module et en particulier une salissure est donc détectée automatiquement et de façon autonome par le module lui-même et non par le champ de modules. De plus, la typologie de l'installation et la variation d'exposition du champ n'ont pas d'influence sur la détection de salissure : il importe peu que les modules aient la même orientation car chaque module est autonome et considéré individuellement des autres modules du champ.

Avantageusement, les moyens de détection comportent des moyens d'émission d'un signal lumineux, et des moyens de mesure d'un signal réfléchi sur la surface exposée à partir du signal lumineux. Les caractéristiques du signal réfléchi dépendent des propriétés du dioptre formé entre l'atmosphère extérieur et le matériau de la couche externe du panneau. La valeur du signal réfléchi permet de détecter la modification de l'état de surface et donc notamment la présence de salissures.

Selon un mode de réalisation, les moyens d'émission du signal lumineux comportent une diode électroluminescente. Avantageusement, les moyens de mesure du signal après réflexion sur la surface exposée comprennent une photodiode.

La diode électroluminescente émet un signal de longueur d'onde déterminée ce qui est propice à la mise en place d'un moyen de détection. Selon un mode de réalisation, les moyens d'émission sont agencés pour émettre un signal par impulsions. Cette disposition permet de s'affranchir de phénomènes extérieurs 10 pouvant générer des perturbations sur la mesure en adaptant l'excitation des ondes électromagnétiques et en mesurant leur retour. Selon le même mode de réalisation, les moyens de mesure sont agencés pour réaliser une mesure de manière synchrone avec les impulsions du signal émis par les moyens d'émission. 15 A chaque impulsion correspond donc une mesure prise durant une période liée à l'impulsion du signal émis. Cette période est plus courte que celle correspondant à la durée d'émission du signal. On prend ainsi la mesure sur un signal quasi constant tout en s'affranchissant d'un maximum de bruit. Selon un mode de réalisation, les moyens d'émission sont agencés 20 pour émettre un signal de longueur d'onde dans l'infrarouge. Selon un mode de réalisation, le module photovoltaïque comporte des moyens de traitement du signal mesuré agencés pour comparer la valeur du signal mesuré avec au moins une valeur de référence. Cette disposition permet de s'affranchir du bruit dans le signal 25 mesuré par la photodiode et permet de définir une référence de comparaison pouvant être utilisée pour déterminer par la suite si la surface d'un module est considérée comme étant propre ou non. Selon un mode de réalisation, le module photovoltaïque comprend des moyens de stockage de données correspondant à au moins une valeur du 30 signal mesuré, les moyens de traitement étant agencé pour déterminer une valeur de référence à partir de la ou des valeurs de données stockées. Les mesures sauvegardées sont exploitées par un microcontrôleur à travers un algorithme pour valider les mesures ultérieures et pour détecter la présence de salissures ou autres modifications de l'état de surface.

Selon un mode de réalisation, les moyens de détection sont agencés pour effectuer des prises de mesure pendant une plage temporelle déterminée, notamment à l'aube. Cette disposition permet d'économiser de l'énergie en alimentant la diode électroluminescente ainsi que le dispositif électronique sur une petite période de la journée. Si une salissure intervient durant la journée, elle sera immédiatement détectée lors de la prochaine mesure. Il est donc possible de gagner en réactivité en rapprochant les périodes de détection et de prise de mesures. Le fait d'effectuer les prises de mesure à l'aube permet de s'affranchir des rayonnements infrarouges liés à l'irradiation solaire qui pourraient perturber le signal mesuré par la photodiode. Selon un mode de réalisation, les moyens de détections sont intégrés dans l'épaisseur du module. Le fait d'intégrer un composant dans l'épaisseur d'un module augmente sa durée de vie et sa fiabilité en le protégeant de l'environnement extérieur. Cela réduit également les coûts et la difficulté d'installation des modules qui sont livrés précablés et prêts à la pose. L'invention porte également sur une installation comportant une pluralité de modules photovoltaïques tels que décrit précédemment, un système de restitution d'alarme visuel et/ou sonore, et dans lequel les modules photovoltaïques comprennent des moyens de communication avec le système de restitution d'alarme visuel et/ou sonore. Cette disposition permet d'exploiter la mesure et la détection d'aléas sur les panneaux et donc d'identifier le module en cause, afin de 25 pouvoir agir rapidement face à une détection de salissure. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence aux dessins schématiques annexés, représentant à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'une chaîne photovoltaïque selon l'invention. La figure 1 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation 30 d'une installation selon l'invention. La figure 2 représente l'agencement d'une diode électroluminescente et d'une photodiode associé dans un module photovoltaïque selon l'invention. La figure 3 est un schéma illustrant la séquence temporelle du 35 signal S1 émis par la diode électroluminescente et la séquence temporelle des périodes de mesures LS2 de la photodiode en fonction du temps T.

Ainsi que représenté sur les figures 1 et 2, une installation photovoltaïque comprend une pluralité de modules photovoltaïques 2 pouvant être reliés électriquement en série ou en parallèle. Un module photovoltaïque 2 selon l'invention comprend un ensemble de cellules photovoltaïques, non représentées, destinées à la production d'énergie électrique à partir du rayonnement solaire sur lesquelles sont disposée une couche de protection 14 d'épaisseur e, par exemple en verre ou dans un autre matériau permettant le passage du rayonnement lumineux, cette couche de protection formant une surface 12 exposée à l'environnement extérieur. Une couche de salissure 13 peut se former de manière subite et/ou de manière latente sous forme d'un voile opaque sur cette surface 12 qu'il convient de pouvoir détecter. Un algorithme de prise de décision de nettoyage est basé sur une 15 comparaison des valeurs courantes en rapport avec des valeurs initiales de références et /ou de moyenne glissante. Le module comporte à cet effet des moyens optiques de détection d'une modification de l'état de la surface. Avantageusement, ces moyens de détections sont intégrés dans l'épaisseur du module. 20 Ces moyens de détection comprennent : - une diode électroluminescente 4 émettant un signal infrarouge S1 à travers la couche de protection 14 vers la surface 12, et - une photodiode 5 mesurant ce même signal S2 après réflexion sur la surface exposée 12 dans la couche de protection 12. 25 La diode électroluminescente 4 et la photodiode 5 sont distantes d'un intervalle I et disposés sur la face arrière de couche de protection 14. La direction d'émission du signal lumineux est inclinée par rapport au plan de la surface 12, de façon à permettre une réflexion en direction de la photodiode 5. Afin de permettre une facilitation de la pénétration du rayon 30 lumineux dans la couche de protection 14, une partie 17 de cette couche forme une portion de paroi perpendiculaire au rayon incident provenant de la diode électroluminescente 4. De la même façon, une autre partie 18 de cette couche forme une portion de paroi perpendiculaire au rayon sortant en direction de la photodiode 5. 35 Les moyens de détection comprennent également un dispositif électronique 3 comporte une interface d'adaptation 6 des signaux S2 en provenance de la photodiode 5, et un microcontrôleur 7 destiné à la commande de la diode électroluminescente 4 et de la photodiode 5 et constituant également un moyen de traitement du signal mesuré S2 par la photodiode 5. Le microcontrôleur 7 comprend également des moyens de stockage de données correspondant à au moins une valeur du signal mesuré S2. L'acquisition et traitement du signal S2 de la photodiode par l'interface d'acquisition 6 a notamment pour fonction de procéder à une mise en forme des signaux, par exemple en ce qui concerne leur tension, pour obtenir des mesures fiables et précise Le microcontrôleur 7 agencés pour comparer en sortie de l'interface d'adaptation 6, notamment après filtrage, la valeur du signal mesuré S2 avec au moins une valeur de référence R. La valeur de référence R est obtenue notamment à partir de la ou 15 des valeurs de données stockées précédemment du signal S2. La différence entre le signal mesuré S2 et la valeur de référence R peut être adaptée à l'aide de fonctions type amplificateur de différence, etc. Le fonctionnement de la détection est le suivant. Un signal S1 est émis par la diode électroluminescente dans la 20 couche de matériau 14. Ce signal est partiellement réfléchi sur la surface 12 qui forme un dioptre. La partie réfléchie du signal est capté par la photodiode 5. Les caractéristiques du signal réfléchi dépendent des propriétés du dioptre. Ainsi, en l'absence de salissure, une première valeur de signal S2 est détectée et stockée comme une valeur de référence R. 25 Lorsqu'une salissure est déposée sur la surface 12, le signal S2 issu de la réflexion et mesuré par la photodiode 5 a une intensité différente que celui issu du signal sans salissure 12. La variation d'intensité détectée dépend du type de salissure qui se dépose, celle-ci pouvant conduire à une augmentation ou à une diminution de l'intensité selon les cas. La comparaison 30 entre le signal S2 et la valeur de référence R réalisée par le microcontrôleur permet de détecter la présence de ladite salissure. Le module 2 comprend des moyens de communication de communication 8 à un système de restitution d'alarme visuel et/ou sonore 9 par l'intermédiaire d'un moyen de transmission 10. 35 Comme cela est représenté sur la figure 3, la diode électroluminescente 4 émet un signal S1 par impulsions, et la mesure du signal S2 par la photodiode 5 est faite de manière synchrone durant les impulsions du signal émis S1 par la diode électroluminescente 4. Le signal S2 est mesuré lors de périodes de mesures LS2 réalisées en phase avec les impulsions du signal émis S1 sur des périodes de temps inférieures à la durée d'une impulsion, et débutant après le début de l'impulsion du signal S1, de façon à s'assurer que le signal S1 n'est pas dans un état transitoire lors de la mesure afin de permettre de réaliser une mesure fiable de ce signal. Ces dispositions permettent de s'affranchir des phénomènes extérieurs susceptibles de générer des perturbations de la mesure et 10 d'améliorer le rapport signal/bruit. Le microcontrôleur est programmé pour fonctionner et acquérir des données durant une courte période de la journée, de préférence à l'aube pour s'affranchir du bruit que pourrait générer dans le signal les radiations solaires dans le spectre infrarouge dans lequel émet la diode électroluminescente 4. 15 Il est à noter qu'en cas de pluie, il est également réfléchi un signal différent du signal de référence pris dans des conditions de non salissure 12 de la surface en verre 11. Le microcontrôleur 7 est ainsi programmé qu'il est capable de reconnaitre les caractéristiques d'un dioptre entre le matériau de la couche de protection et l'eau et de filtrer par un algorithme embarqué le signal 20 provenant de la réflexion sur un tel dioptre. La détection de salissure 12 est ensuite transmise au système de communication 8 du module photovoltaïque 2 qui à son tour communique l'information au système de restitution d'alarme et/ou visuel 9 via par exemple une liaison sans fil 10. 25 Une opération de maintenance ou de nettoyage est ensuite décidée en fonction de l'information communiquée. La liaison entre le moyen de communication et le système de restitution d'alarme visuel et/ou sonore peut être réalisée par des moyens de transmission sans fil tels le wifi, radio, Bluetooth. 30 Cela permet de pouvoir disposer d'un dispositif de visualisation mobile, ou fixe sans qu'aucun travaux d'installation supplémentaire ne soit nécessaire, comme pour le passage de fils jusqu'au lieu d'installation du système de restitution d'alarme visuel et/ou sonore. Cette liaison peut également être réalisée par des moyens de 35 transmission filaire tels en mode bus, en liaison série ou encore par courant porteur de ligne.

Cela permet notamment d'effectuer une installation simple sans paramétrages particuliers lorsque l'installation d'une liaison sans fil n'est pas justifiée. Le système de restitution d'alarme visuel et/ou sonore peut comprendre un logiciel sur PC vers un site web dédié et/ou une interface ergonomique de type monitoring résidentiel et/ou une interface dédiée. Le logiciel sur PC est particulièrement adapté pour des exploitations de grande centrale photovoltaïque, le monitoring résidentiel est adapté pour le monde résidentiel et les particuliers, enfin l'interface dédiée est adaptée pour l'utilisation par les installateurs et les opérateurs de maintenance. Ainsi, cette invention est capable d'orienter l'opération de nettoyage sur un panneau photovoltaïque en particulier. Il est également à noter que le dispositif électronique est également capable de détecter et signaler la présence de givre et/ou neige et/ou pluie et/ou d'impacts résultant de la grêle ou de tout autre condition suceptible de modifier l'état de l'interface du dioptre verre/air se trouvant du côté exposé du module solaire. Bien entendu, le modules peut comprendre plusieurs moyens de détection comprenant chacun une diode électroluminescente 4 et une photodiode 5. En particulier, il est possible de disposer des moyens de détection en bas du panneau photovoltaïques et d'autres moyens en son centre. L'augmentation du nombre de moyens de détection en de multiples emplacements du panneau permet, d'améliorer la détection de salissures. Dans le cas de la pluie, le dioptre verre/eau peut être filtré par un algorithme embarqué dans le microcontrôleur. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la forme de réalisation préférentielle décrite ci-dessus, à titre d'exemple non-limitatif ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Module photovoltaïque (2) comprenant une surface (12) exposée à l'environnement extérieur caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optiques de détection (4, 5, 6, 7) d'une modification de l'état de la surface exposée (12).
2. 2. Module photovoltaïque (2) selon la revendication 1, dans lequel les moyens de détection (4, 5, 6, 7) comportent des moyens d'émission (4) d'un signal lumineux (Si), et des moyens de mesure (5) d'un signal réfléchi (S2) sur la surface exposée (12) à partir du signal lumineux (Si).
3. 3. Module photovoltaïque (2) selon la revendication 2, dans lequel les moyens d'émission du signal lumineux comportent une diode électroluminescente (4).
4. 4. Module photovoltaïque (2) selon l'une des revendications 2 et 3, 15 dans lequel les moyens de mesure du signal après réflexion sur la surface exposée comprennent une photodiode (5).
5. 5. Module photovoltaïque (2) selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel les moyens d'émission (4) sont agencés pour émettre un signal (Si) par impulsions. 20
6. 6. Module photovoltaïque (2) selon la revendication 5, dans lequel les moyens de mesure (5) sont agencés pour réaliser une mesure de manière synchrone avec les impulsions du signal (Si) émis par les moyens d'émission (4).
7. 7. Module photovoltaïque (2) selon l'une des revendications 2 à 6, 25 dans lequel les moyens d'émission (4) sont agencés pour émettre un signal (Si) de longueur d'onde dans l'infrarouge.
8. 8. Module photovoltaïque (2) selon l'une des revendications 2 à 7 comportant des moyens de traitement (6, 7) du signal mesuré (S2) agencés pour comparer la valeur du signal mesuré avec au moins une valeur de 30 référence (R).
9. 9. Module photovoltaïque (2) selon la revendication 8 comprenant des moyens de stockage de données correspondant à au moins une valeur du signal mesuré (S2), les moyens de traitement étant agencé pour déterminer une valeur de référence (R) à partir de la ou des valeurs de données stockées. 35
10. 10. Module photovoltaïque (2) selon l'une des revendications précédentes dans lequel les moyens de détection (4, 5, 6, 7) sont agencéspour effectuer des prises de mesure pendant une plage temporelle déterminée, notamment à l'aube.
11. 11. Module photovoltaïque (2) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de détections (4, 5, 6, 7) sont intégrés 5 dans l'épaisseur du module (2).
12. 12. Installation comportant une pluralité de modules photovoltaïques (2) selon l'une des revendications précédentes, un système de restitution d'alarme visuel et/ou sonore (9), et dans lequel les modules photovoltaïques comprennent des moyens de communication (8) avec le 10 système de restitution d'alarme visuel et/ou sonore (9).